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目錄

前言

一、研究對(duì)象描述

二、總體思路

三、仿真實(shí)現(xiàn)

1.獲得誤差

2.設(shè)計(jì)PD控制器

3.控制力傳入模型進(jìn)行解算

4.通過艏向角速度得到艏向角

5.Solver設(shè)置

四、仿真結(jié)果分析

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前言

本文對(duì)AUV的運(yùn)動(dòng)控制仿真過程進(jìn)行介紹，采用PID控制方法，實(shí)現(xiàn)水平面上的簡單的AUV的運(yùn)動(dòng)控制。

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提示：以下是本篇文章正文內(nèi)容，下面案例可供參考

一、研究對(duì)象描述

研究AUV的水平面運(yùn)動(dòng)，AUV為欠驅(qū)動(dòng)，具備垂向推力和轉(zhuǎn)艏力矩的輸入，即具有主推和垂直舵。

二、總體思路

給定AUV期望的垂向速度和艏向角的值，與模型解算出的實(shí)時(shí)垂向速度和艏向角做差，得到誤差值，隨后利用PD控制設(shè)計(jì)控制器，產(chǎn)生期望推力和力矩，作用到AUV模型上，形成閉環(huán)。

三、仿真實(shí)現(xiàn)

以下依筆者的思路，對(duì)整個(gè)仿真程序進(jìn)行介紹。

1.獲得誤差

直接將期望值與AUV的速度和艏向角進(jìn)行做差得到

這里設(shè)置的期望速度：,期望艏向角：。

2.設(shè)計(jì)PD控制器

得到兩者誤差后，根據(jù)PD控制知識(shí)，設(shè)計(jì)控制器。需要誤差值及誤差值的導(dǎo)數(shù)信息。

將誤差及其導(dǎo)數(shù)傳入控制器的S函數(shù)，在S函數(shù)內(nèi)設(shè)置相關(guān)的控制增益，具體為：

?S函數(shù)依次輸出推力和力矩。

在仿真圖中，輸出的力經(jīng)過了積分的處理，而力矩卻沒有，這里進(jìn)行詳細(xì)地說明。

了解控制過程其實(shí)很好理解，當(dāng)AUV的速度小于期望速度時(shí)，需要增加推力，而控制器的推力是通過速度的誤差獲得的，在AUV運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)不斷受到航行阻力的作用，因此AUV的推力需要保持，不能消失。

而不同于速度的控制，艏向角就不會(huì)出現(xiàn)這種情況，給到一個(gè)力矩作用AUV就會(huì)轉(zhuǎn)艏，且AUV保持艏向角是不需要力矩的，這是關(guān)鍵，而AUV的速度想要保持需要縱向推力的保持。

3.控制力傳入模型進(jìn)行解算

在得到控制器設(shè)計(jì)出的控制力和力矩之后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出反應(yīng)，此時(shí)AUV的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，這是通過AUV的動(dòng)力學(xué)模型體現(xiàn)出來的。

AUV的水平動(dòng)力學(xué)模型是具備三個(gè)自由度的，即縱向運(yùn)動(dòng)、橫向運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)艏運(yùn)動(dòng)。本文的AUV是欠驅(qū)動(dòng)的，只用縱向推力和轉(zhuǎn)艏力矩，橫向無控制輸入，因此橫向的輸入設(shè)計(jì)為0。

關(guān)于AUV的模型的S函數(shù)，實(shí)質(zhì)上就是用于解算微分方程的，這個(gè)微分方程就是AUV的動(dòng)力學(xué)模型，其中的未知數(shù)就是AUV的這三個(gè)自由度,以及他們的導(dǎo)數(shù)，在得到所有自由度上的控制力后，除其他的未知數(shù)都是可以獲得的，三個(gè)方程三個(gè)未知數(shù)，可以進(jìn)行解算，這部分交給S函數(shù)的微分模塊。

常用的AUV動(dòng)力學(xué)模型一般為：

在S函數(shù)中的體現(xiàn)為：

其中的一系列的水動(dòng)力系數(shù)選自特定的AUV模型，這是事先針對(duì)具體的AUV?通過試驗(yàn)測得的。

4.通過艏向角速度得到艏向角

AUV模型輸出了縱向速度和艏向角速度，其中縱向速度是我們想要的，但是還需要AUV的艏向角。通過對(duì)艏向角速度進(jìn)行積分同時(shí)設(shè)計(jì)初始值便可以得到實(shí)時(shí)的艏向角信息。

初始值在積分器中進(jìn)行設(shè)置， 這里設(shè)置為0。在經(jīng)過積分處理后傳入名為‘xianzhi’的S函數(shù)，這是由于AUV的艏向角的范圍為[-pi,pi]，需要做出限制。在S函數(shù)內(nèi)：

?在做出限制后，就得到了AUV的艏向角yaw的信息，隨后又傳入了一個(gè)增益，其大小為180/pi，其作用是將弧度制轉(zhuǎn)化為角度制，因?yàn)樵赟IMULINK仿真過程中使用的都是弧度制，轉(zhuǎn)化為角度制會(huì)更加直觀。

5.Solver設(shè)置

至此，列出了所有的仿真程序，按照上述方法搭建即可完成AUV水平面的運(yùn)動(dòng)控制。但實(shí)際上搭建完后還要對(duì)Solver進(jìn)行設(shè)置。

在SIMULINK中CTRL+E，或點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵打開Model Configuration Parameters，在Solver欄進(jìn)行如下設(shè)置：

四、仿真結(jié)果分析

搭建完成后運(yùn)行，可以得到仿真結(jié)果。

AUV的縱向速度：

?AUV的艏向角：

縱向推力：?

?轉(zhuǎn)艏力矩：

轉(zhuǎn)艏角速度：

從仿真結(jié)果來看，各方面表現(xiàn)良好，在艏向角的控制上存在略微超調(diào)，但在合理范圍內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了良好的AUV的水平面的運(yùn)動(dòng)控制。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的AUV运动控制仿真（PID控制）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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