摘 要

本文借助数学分析软件MATLAB及其Simulink功能组件，以某型号ROV为研究对象，分析其在水下作业时的运动特点及受到的环境影响，根据所查到的资料建立欠驱动水下自航器的六自由度运动数学模型，然后对运动方程进行简化得到垂直面三自由度模型。通过查阅相关国内外的资料，研究水下自航器的各种控制方法，然后选取PID控制方案作为系统的控制策略，研究水下自航器运动控制系统在该PID控制算法下的控制效果。最后设计了水下自航器的PID控制模型，之后在MATLAB中的simulink中进行了仿真，通过临界比例法逐步得到了PID控制方式下的水下自航器的运动控制时较为完美的比例系数k_p、积分系数k_i和微分系数k_d。

本文主要研究了欠驱动水下自航器的运动控制基本概念及技术发展动态，研究建立四浆ROV垂直面三自由度模型。研究PID控制技术及PID控制算法，并对研究对象进行仿真实验，验证了PID控制系统的稳定和可靠性。

研究的结果表明：PID控制能够很好地胜任水下自航器的运动控制。通过PID控制方法，对水下自航器发出姿态指令后，系统能够快速响应，及时作出姿态调整。

本文的特色：首先建立了欠驱动水下自航器近水面运动数学模型。其次选取PID控制方案对研究对象进行理想情况下的仿真实验，验证了PID控制系统的稳定和可靠性。

关键词：水下自航器； 运动控制； PID控制； 仿真

Abstract

In this paper, with the help of mathematical analysis software MATLAB and its Simulink functional components, taking a certain ROV as the research object, the movement characteristics and the environmental impact of its underwater operation are analyzed. According to the data obtained, a six degree of freedom motion mathematical model of the underactuated underwater vehicle is established, and then the motion equation is simplified to obtain a three degree of freedom model of the vertical plane. By referring to the relevant domestic and foreign data, this paper studies the various control methods of the ROV, and then selects the PID control scheme as the control strategy of the system to study the control effect of the ROV motion control system under the PID control algorithm. At last, the PID control model of the ROV is designed, and then the simulation is carried out in the Simulink of MATLAB. Through the critical proportion method, the perfect proportion coefficient Kp, integral coefficient Ki and differential coefficient KD are obtained.

In this paper, the basic concept of motion control and technology development of underactuated ROV are studied, and the three degree of freedom model of the vertical plane of four plasma ROV is established. The PID control technology and algorithm are studied, and the simulation experiment is carried out to verify the stability and reliability of the PID control system.

The research results show that PID control is very good at the motion control of ROV. Through PID control method, the system can respond quickly and adjust the attitude in time after the attitude command is given to the ROV.

The characteristics of this paper: firstly, the mathematical model of underwater vehicle near water surface motion is established. Secondly, the PID control scheme is selected to carry out the simulation experiment under the ideal condition, which verifies the stability and reliability of the PID control system.

Key Words：ROV；Motion control；PID control；simulation

目 录

摘 要 i

Abstract ii

第1章 绪论 1

1.1 水下自航器研究背景及意义 1

1.1.1 水下自航器的概念及分类 1

1.1.2 水下自航器（ROV）的发展前景 1

1.2 ROV控制技术发展历程 2

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 水下自航器国内外应用现状 3

1.2.2 国内外运动控制研究现状 5

1.3 本文主要研究内容 6

第2章 水下自航器运动模型 7

2.1 引言 7

2.2 水下自航器坐标系 7

2.1.1 两种坐标系的建立 7

2.1.2 大地坐标系与本体坐标系转换 8

2.2 水下自航器运动模型 9

2.3 动力学模型 11

2.4 本章小结 14

第3章 水下自航器PID控制算法研究 15

3.1 引言 15

3.2 模拟PID控制 15

3.3 数字PID控制 16

3.3.1 位置式PID控制 17

3.3.2 增量式PID控制 18

3.4 PID控制传递函数 20

3.5 本章小结 22

第4章 水下自航器运动控制与仿真 24

4.1 引言 24

4.2 PID控制器参数的整定 24

4.3 仿真与分析 25

4.4 本章小结 30

第5章 总结与展望 31

5.1 论文总结 31

5.2 展望 31

参考文献 33

致 谢 35

第1章 绪论

1.1 水下自航器研究背景及意义

1.1.1 水下自航器的概念及分类

水下自航器是一种能够在水下进行人工或自主运动控制，并可以携带水下作业时所需要的机械手臂，扫描装置等设备的人造机器装，对于目前的水下自航器，按不同的控制方式可以将自航器分成不同的控制种类^[1]。一般情况下，按照控制方式的不同可将水下自航器大致分为如下三种类型：

（1）遥控式水下电自航器（ROV）。遥控式水下自航器主要是一种由操作员进行手动操作控制的一种操作运行方式。