15、远程操作水下航行器(ROV)的非线性控制系统设计

远程操作水下航行器(ROV)的非线性控制系统设计

1. 引言

在水下航行器(ROV)的控制中,精确控制其位置和速度至关重要。本文将介绍多种用于控制ROV的非线性控制系统设计方法,包括多变量PID控制、滑模控制等,并详细阐述这些方法的原理、建模与仿真过程。

2. 多变量PID控制设计

2.1 PID控制器原理

PID(比例 - 积分 - 微分)控制器是工业应用中最广泛使用的控制器结构,其结构简单且能有效解决许多实际控制问题。对于具有六个自由度(DOF)的ROV,通常需要六个PID控制器,其控制律如下:
[
\int_{0}^{t}
u(t) = T^{+}\left[K_{p}e(t) + K_{d}\dot{e}(t) + K_{i}\int_{0}^{t}e(\tau)d\tau\right]
]
其中,$e(t)$ 是位置误差向量,$T^{+}$ 是摩尔 - 彭罗斯伪逆矩阵,用于处理推进器配置矩阵 $T$ 非方阵的情况。

2.2 Simulink建模

在Simulink中,PID控制器可以按照特定的框图进行建模。由于横摇和俯仰具有自稳定性,因此不控制这两个自由度。以下是PID控制器在Simulink中的建模步骤:
1. 选择合适的求解器,如ODE45(Dormand - Prince求解器,相对容差为0.001)。
2. 设置仿真时间,例如60s,可根据系统要求进行调整。
3. 使用饱和模块限制推进器的推力输出。
4. 输入期望位置,在本次仿真中,ROV被命令在X - Y平面上对角移动,即 $x_d = y_d =

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