水下推进器控制系统设计毕业论文.doc

目录水下推进器控制系统设计毕业论文 目录第1章 绪论.11.1 引言11.2 水下推进器控制系统的国内外研究概况及发展趋势11.3 本设计研究的主要内容2第2章 水下推进器机构设计42.1 水下推进器基本功能42.2 螺旋桨推进器简介42.3 水下螺旋桨推进器的基本机构42.3.1 螺旋桨推进器机构模型42.3.2 推进器推力分析52.4 小结6第3章 水下推进器控制系统设计73.1 水下推进器控制系统性能及需求分析73.2 水下推进器控制系统基本控制机构设计73.2.1 水下螺旋桨推进器运动转盘的控制73.2.2 永磁直流伺服电机驱动的节能型液压动力系统83.2.3 螺旋桨推进器主轴驱动和控制机构设计10 3.3 水下推进器控制系统总体方案设计.123.3.1 水下推进器控制系统的框架设计123.3.2 水下推进器控制系统的控制方式设计133.4 小结14第4章 水下推进器控制系统的模糊PID自适应控制154.1 PID控制154.1.1 PID控制原理154.1.2 数字PID控制的基本原理164.1.3 PID控制规律选择和参数整定的简要分析184.2 模糊控制194.2.1 模糊控制原理194.2.2 模糊控制器194.3 自适应控制204.4 模糊PID自适应控制254.4.1 模糊PID参数自适应整定控制器的结构及原理254.4.2 模糊PID参数自适应整定控制器算法的实现264.5 小结32第5章 基于Simulink的模糊PID自适应控制的建模与仿真32 5.1 直流推进电机调速系统开环传递函数的求取.33 5.2 模糊PID自适应控制系统的建模与仿真345.2.1 常规PID控制系统Simulink模型的建立与仿真345.2.2 模糊控制系统Simulink模型的建立与仿真355.2.3 模糊PID自适应控制系统Simulink模型的建立与仿真35I青海大学 目录5.2.4 三种控制器的速度跟踪阶跃响应结果比较及分析375.3 小结37第6章 总结与展望396.1 设计总结39 6.2 设计创新点.396.3 展望39致谢.41参考文献.42 I1青海大学昆仑学院 第1章 绪论 第1章 绪论1.1 引言 在压力巨大、竞争激烈、国际环境复杂的21世纪，特别是面对人口、资源、环境三大方面的难题，海洋已成为人类生存和发展的重要领域，人类迫切需要向海洋进军。目前，世界诸多国家面临的不仅是保卫自己的领海，更重要的是怎样开发和利用海洋资源。可由于人体自身不能长时间在水下生活或作业的限制，就不得不依靠相关航行器来拓展人类在海洋中的活动能力进而开发、索取海洋中可利用的资源。水下推进器是航行器稳定、安全、可靠运行的关键设备，良好的水下推进器控制系统是航行器的机动性、航程、航速等相关性能的有力保证。当今，自动化智能控制系统己经在各行各业中得到了广泛的应用和发展，在现代过程控制中，直流调速控制系统因为能够在广泛的范围内实现平滑调速，并且具有良好的起、制动性能而起着重要控制作用，特别是在需要高性能且可控的电力拖动领域中得到了广泛的应用。设计中研究的水下推进器控制系统主要是针对直流调速系统的控制问题。水下推进器控制系统是复杂、非线性、时变、耦合的控制系统，对于常规PID控制是不能满足要求的，设计在PID控制的基础上结合模糊控制和自适应控制，经过深入分析和详细研究，最终设计出将PID控制、模糊控制和自适应控制相结合的经济、安全、可靠、高效的模糊PID参数自适应整定控制系统。1.2 水下推进器控制系统的国内外研究概况及发展趋势 我国在1814年，将新发明的水下推进器-螺旋桨，成功地安装在第一艘蒸汽机驱动的军舰上，他带来了航速和航程质的飞跃。由于螺旋桨具有结构简单，推进效率较高，可靠性高等优点，在此后的两百多年里，螺旋桨作为水下推进器最主要的形式应用在很多航行器中。随着人类科技的进步，水下推进器正朝着远程化、智能化方向发展,水下运行时间将达到上百小时，这对它的控制系统提出了很高的技术要求。从目前国际上来看，除个别水下推进器采用喷水推进外，大多浮游式水下推进器采用螺旋桨推进，并且一般还在螺旋桨外还加有导管，以保证在高滑脱情况下提高推力。推进器的驱动方式一般有电机驱动和液压驱动，小型水下推进器大多采用电动推进器，大功率、作业型水下推进器通常采用液压驱动。水下推进器控制系统的发展趋势为：水下更深向深海发展；更远向远程发展；功能更强大向作业型及智能化方向发展。如下图1-1和1-2为水下推进器应用于军事方面的资料图。 1青海大学 目录 图1-1 潜艇应用于海上战斗 图1-2 亮相北京的海豹突击队水下推进器1.3 设计研究的主要内容 课题，水下推进器控制系统设计主要研究的对象为直流电机调速控制系统，设计首先分析了选题背景、意义和来源，对水下推进器控制系统的国内外研究概况和发展趋势作了简述，然后分别是：水下推进器机构设计、 水下推进器控制系统设计、水下推进器控制系统的模糊PID自适应控制、基于Simulink的模糊PID自适应控制的建模与仿真、总结与展望。全文整体分6个章节，内容循序渐进，具体安排如下： 第1章：绪论。首先通过前言介绍了设计的选题背景、意义和来源，接着简述了水下推进器控制系统的国内外研究概况和发展趋势。第2章：水下推进器机构设计。本章节首先介绍了水下推进器的基本功能，螺旋桨推进器，然后，从螺旋桨推进器机构模型和推进器推力分析两方面给出了水下推进器的基本机构。I青海大学昆仑学院 第1章 绪论第3章：水下推进器控制系统设计。该章节是水下推进器控制系统的整体设计，其中，第1小节分析了水下推进器控制系统的性能及需求，然后从水下螺旋桨推进器运动转盘控制、永磁直流伺服电机驱动的节能型液压动力系统、螺旋桨推进器主轴驱动和控制机构设计三方面给出了水下推进器控制系统基本机构设计。最后，从水下推进器控制系统的框架和控制方式设计两方面给出了水下推进器控制系统的总体方案。第4章：水下推进器控制系统的模糊PID自适应控制。本章是设计的核心章节。前三小节分别介绍了PID控制、模糊控制和自适应控制，第四节是将前三节介绍的三种控制方式结合到一起，进而给出了设计的核心部分水下推进器控制系统的模糊PID参数自适应整定控制。第5章：基于Simulink的模糊PID自适应控制的建模与仿真。本章首先进行的工作是直流推进电机调速系统开环传递函数的求取，然后，分别就常规PID控制、模糊控制、模糊PID自适应整定控制进行了基于MATLAB/Simulink的建模与仿真，最终对仿真结果进行了分析和总结。 第6章：总结与展望。对整个设计过程进行了总略性的回顾，比较、分析了常规PID控制、模糊控制和模糊PID参数自适应整定控制的可行性及优缺点，最终，对控制系统中有待于进一步完善和优化的方面提出了一些解决的思路和想法，并对进一步的研究工作做出了简单的展望。 3青海大学 第2章 水下推进器机构设计2.1 水下推进器基本功能 推进器是水下航行器的关键设备之一，它遵循能量守恒定律，在相关能量转换原理的基础上将水下航行器所携带的能源转换成推动航行器进行相关运动所必需的机械能。当水下航行器在水下运动时，都会受到水的阻力。水下航行器要正常运行必须具有一定的快速性，即能够以一定的航速进行定位运动，为此，必须提供一个与其运动方向一致的推力。然而，让航行器前进的这个推力是由航行器的推进动力装置（推进器）提供的，水下航行器的推进器吸收主机功率产生推力，推动其前进运动的同时，航行器还必须有良好的操纵性。操纵性主要包括两方面的含义：稳定性和机动性。当然，二者与航行器的本身的体型、附件、推进器和操纵台的设计息息相关，同时还与操纵装置和控制系统的设计有关。2.2 螺旋桨推进器简介 目前航行器常用的水下推进方式有：电机推进、液压推进、喷水推进、磁流体推进和近些年来兴起的仿生推进。现在中小型航行器的水下推进大部分使用电动机直接驱动螺旋桨，也称为电机推进器，他们可以使用直流电机，无刷直流电机或者交流电机；大中型航行器的水下推进普遍采用液压马达提供驱动力。电机推进和液压推进均是采用螺旋桨作为推进器的，到现在为止水下推进器中螺旋桨推进器占主导地位。为了更好的利用螺旋桨推进器，很有必有了解其自身的一些特点。螺旋桨推进器参数的确定比较简单，因为它只需满足螺旋桨的吸收功率、扭矩和主机功率、扭矩相平衡即可。但航行器推进往往需要如前进、横移、转艏等多种运动，这就要求我们安装多个推进器，导致能耗增大。再就是螺旋桨推进器有较大的空泡损失，噪声也大，还有气窝的存在，装在航行器尾部的水下螺旋桨推进器往往会受到尾流和内河吃水深度的影响，从而限制了推进器推进的高效性。此外，常规螺旋桨推进器还会产生很大的尾部振动，影响了推进效率。当前国内外正针对如何减少螺旋桨推进器的振动量和噪声，以及提高螺旋桨推进速度方面展开集中而深入的研究1。2.3 水下螺旋桨推进器的基本机构水下运行的航行器系统是一个非线性、时变、耦合的动力学系统。需要考虑的影响因素较多，如重力、浮力、推力和水动力这些主要影响航行器推进器运行因素参数的确定比较困难，再加之需要确定的参数较多，而目前的技术和测试条件又有限，有些参数根本无法准确测定或者无法测定。2.3.1 螺旋桨推进器机构模型 设计研究的是全方位水下推进器2，对于螺旋桨推进器的设计理论本身是非常复杂的，在此不作详述，这里只给出机构的简图如图2-1所示。I青海大学昆仑学院 第2章 水下推进器机构设计 液压缸连接杆外侧转盘内侧转盘 推进器轴叶片变速杆 图2-1 全方位水下推进器机构模型图 此全方位水下推进器可以实现对航行器六自由度运动的控制，并且能够提高航行器的可操纵性和可控性。我们只需要在航行器的艏、艉装配水下推进器就可以根据运行的需要产生上下、前后、左右六个方向的推力，而且并不影响航行器结构和强度条件的要求以及总体布局的要求，同时还能相应地减少推进器的数目，满足了航行器的操纵性能要求，便于实现水下航行器小型化和轻量化。全方位水下推进器是一种在桨叶片旋转一周的过程中,通过桨叶片螺距角的周期性变化，使其不仅产生与推进器轴平行的轴向推力，同时还能在侧向产生推力的特种推进器。 常规螺旋桨桨叶同一半径处的螺距角是相等的，并且桨叶是沿周向均匀分布的，所以桨叶对应叶剖面上的环量均相等，于是各桨叶在不同周向位置上，对应叶元体的切向力是相等的，导致整个螺旋桨不会产生侧向推力，只能产生轴向推力；然而，全方位水下推进器的桨叶片虽然也是周向均匀分布的，可叶片的几何螺距角是周期性变化的(通常按正弦或余弦规律变化)，这样，每当叶片处于不同的角度时，叶片的攻角同时随角度的变化而变换，进而使得各叶片对应叶元体上的切向力也跟随角度变化，这时，在侧向的产生的分力是不能相互抵消的，这就使得桨叶上存在了侧向力。上述说明了全方位水下推进器与常规螺旋桨的本质区别在于:常规螺旋桨只能产生使航行器沿轴向运动的轴向推力（即纵向运动）；全方位水下推进器不但能产生让航行器纵向运动的推力，而且能产生让航行器横向运动和垂直运动的推力，出现这种区别的原因在于叶片螺距角是否能发生周期性的变化。由于全方位水下推进器在产生侧向推力的同时，也产生了额外的力矩，因此为了清除这一力矩，通常在航行器前后两端各安装一只来组合使用，使其在产生侧向推力时不产生垂向力矩。2.3.2推进器推力分析 设计的推进器是由驱动器、定距螺旋桨、直流电机所共同组成的直流深水电动推进器。其中推进器的推力可用如下公式描述：5青海大学 (2-1)其中：液体密度（Kg/m3），n：螺旋桨转速（r/s），D：螺旋桨直径(m)，KT：推力系数。此时直流电机需要输入的力矩为： （2-2）这里的KQ为力矩系数。其中KT 、KQ与螺旋桨叶片数目、叶片螺距和叶片形状都有关系3，都是进速比的函数（进速比：螺旋桨进速与叶梢线速度之比值）。从上述公式可以看出，只要螺旋桨确定以后，螺旋桨的直径便已经知道，于是只要通过调整推进器的直流电机转速n便可控制整个推进器的推力，进而推动水下航行器一定的速度运行。 2.4 小结 本章首先从水下推进器的运行原理，推进作用，操纵性三方面简要分析了水下推进器的基本功能，接下来对螺旋桨推进器进行了简单的介绍，然后给出了水下螺旋桨推进器的基本机构。水下推进器基本机构是从两方面进行阐述的：推进器机构模型；推进器推力分析。 设计研究的全方位水下推进器是水中航行器的一种新型特种推进装置，它只需要用两个螺旋桨就可以实现传统的六个或者七个螺旋桨才能实现航行器的推进和六自由度操纵性能。水中航行器采用全方位水下推进器可以明显减少螺旋桨的使用数目，不仅能克服传统推进器由于使用多螺旋桨而产生相互耦合的负面影响，而且还可以优化航行器的结构布局，从而提高了机构的物理操作性能和工作效率，同时还节省了能源，为人类开发利用水中资源做出了很好的贡献。 1青海大学昆仑学院 第3章 水下推进器控制系统设计 第3章 水下推进器控制系统设计3.1 水下推进器控制系统性能及需求分析 由于水下推进器控制系统本身特殊的应用范围和工作环境，要求控制系统自身必须具有良好的稳定性、准确性、快速性，且能在不同温度环境的条件下正常运行，这就要求控制系统拥有较强的运动控制核心处理器。该控制核心处理器除了自身基本功能要求外，还必须满足特殊的性能要求。这些特殊的性能不但与系统的整体特性紧密相连，而且影响着系统的适用范围。特殊性能要求如下： （1）时效性好 近几年来对水下推进器运动精度和位置伺服技术的要求越来越高，因此，对控制核心处理器也提出了很高的要求。控制核心处理器就是一种实时计算机，数据采样时间通常为几毫秒到几十毫秒之间，处理器接口主要用来实时信息的输入和输出。设计选用具有高时效性的现场可编程门阵列（FPGA）作为控制核心处理器，但它也不能准确无误的保证整个控制系统的实时性。控制系统运行过程中，现场可编程门阵列需要不时的与外界进行信息交换，即FPGA并不是一直在单独运行。这样以来倘若外围器件运行速度跟不上节奏，自然就会影响到现场可编程门阵列的工作时效性，导致整个控制系统优越的性能不能很好地发挥，这就要求控制系统中其他器件的时效性也要重点考虑。 （2）性价比高虽然控制系统中的控制器件性能越高越能满足应用要求，但一味追求高性能器件，会导致不必要的浪费。再者如果控制系统的整体功耗太高的话，会使控制系统工作不稳定，系统的可靠性得不到很好的保证，因此在设计控制系统时，尽量选择性能满足要求，功耗低的性价比高的器件。 （3）体积小推进器控制系统很大一部分是嵌入式产品，由于它通常需要放在狭小的仪器舱中，尤其是小体积水下航行器中，它的重量和体积会受到严格的限制。水下推进装置控制器的重量和几何外形都会受到特殊规定，在设计过程中要尽量力求电路简单、器件集成度高、占用体积小，尽力做到小型化4。3.2 水下推进器控制系统基本控制机构设计3.2.1 水下螺旋桨推进器运动转盘的控制3.2.1.1 液压油缸液压伺服系统利用液压器件组成的伺服系统称作液压伺服系统。液压伺服系统是由液压动力机构和反馈机构组成的闭环控制系统，它分为机械液压伺服系统和电气液压伺服系统（简称电液伺服系统）两类。其工作原理是流体动力的反馈控制，也就是利用反馈连接获得偏差信号，用偏差信号再去控制液压能源输入到系统的能量，让系统总是朝着减小偏差的方向进行，尽力让实际输出与期望值相同。液压伺服系统易于实现直线运动的速度、位移和力的控制并且其具有加速性能好，控制精度高，稳定性能好，驱动性能优越，尺寸小、重量轻的特点，在推进器控制系统中得到了广泛的应用5。1青海大学设计中的水下螺旋桨推进器转盘的旋转是通过三个液压油缸的位移运动完成的，具体是通过三个液压油缸位移运动的组合进而转换成转盘的三个自由度运动（两个旋转运动，一个位移运动），其中每个液压油缸的位移运动又是通过一个闭环液压伺服系统来驱动和控制的。其实现方式为：通过指令元件输出的信号经过控制器的处理转换，将得到的控制信号输入到放大器，再将经过放大器放大后的控制信号输入到液压动力系统，液压动力系统输出位移信号驱动液压油缸，接下来通过位移传感器将发生的位移反馈到控制器的输入端以达到校正的目的，驱使液压油缸的输出位移最大限度的跟随输入控制信号，以达到准确控制的目的。图3-1为螺旋桨推进器运动转盘液压油缸液压伺服系统框图。指令元件放大器液压动力系统液压油缸运动转盘位移传感器 + - 图3-1 液压油缸液压伺服系统控制框图 3.2.1.2 液压伺服系统的控制 过往通常采用常规PID控制方法对液压伺服系统进行控制，可是水下推进器控制系统是时变的、非线性的复杂系统，控制系统中的参数往往会随着周围环境条件变化而变化，况且液压伺服系统经常存在外部负载的干扰，这些干扰往往又难以预测甚至是不可预测的，从而会严重影响控制系统的工作性能。以此分析，常规PID控制是不能达到控制要求的，设计采用将自适应控制、模糊控制和PID控制相结合的模糊PID自适应控制，结合各控制的优点达到综合控制的良好效果。 3.2.2 永磁直流伺服电机驱动的节能型液压动力系统3.2.2.1 永磁直流伺服电机的选型 永磁直流电机是用永磁体建立磁场，实现直流电能转换为机械能的一种直流电机，由于不需要输入励磁电流，也就不会因励磁电流而引起功率消耗，又由于转子磁极是基本恒定的，所以永磁电机在低速运转或是在高速运转时都能够输出较大的负载转矩。此外，永磁电机还具有过载倍数大、响应速度快、运行平稳和体积小等优点，所以液压动力系统选用永磁电机。 此次研究的液压动力系统采用济南科亚电子科技公司生产的的ZYT系列永磁直流电机,该永磁直流电机采用铁磁体永久磁铁激磁，系封闭自冷式，这种电机以廉价见长，且性能良好。具体选用型号为：90 ZYT 08/H2电动机，如图3-2所示：I青海大学昆仑学院 图3-2 永磁直流电动机它具有体积小、重量轻、力性能指标高、噪音低、产品系列化程度高、零部件通用化程度强等特点。型号90 ZYT 08/H2说明： 90 ZYT 08/H2 机座代号 铁芯长代号 永磁式直流电机 机座外径/mm其主要技术参数如下表： 表3-1 选定的永磁直流电机技术参数额定功率/W额定线电压（DC）/V额定电流/A额定转矩/N.M额定转速/（r/min）201100.340.6373000 3.2.2.2 永磁直流伺服电机驱动的节能型液压动力系统结构设计 如下图3-3是永磁直流伺服电机驱动的节能型液压动力系统结构框图，该系统由永磁直流伺服电机、伺服控制器、液压油泵和传感器等组成。系统采用了效率高、机械特性好、过载倍数大和调速性能优越的永磁伺服电机拖动油泵，同时还采用了压力、流量双闭环控制和电机电压、电流对系统流量、压力的冗余监测系统，并且具有油液温度自动补偿功能。系统可以针对不同的液压负载情况启用压力自适应、流量自适应和功率自适应三种工作模式，并且不同的工作模式可以采用相应的控制策略。由于具有上述特点，该系统具有应用范围广、效率高、低速稳定性好、响应速度快和调速精度高等优点6。9青海大学上位机 伺服控制器油液温度传感器永磁直流电机液压油泵负载压力、电流传感器光电编码器油箱 图3-3 永磁直流伺服电机驱动的节能液压动力系统框图 3.2.3 螺旋桨推进器主轴驱动和控制机构结构设计近些年来，随着电力电子技术、材料技术、电力半导体技术、变频调速技术和微机控制技术等的高速发展，电力推进技术得到了很好的提高并日趋完善，目前已作为一种先进的推进方式获得了广泛应用。由于电力推进系统7不仅在技术方面较为成熟、可靠性高，而且容易实现动力装置整体布局紧凑化、重量最佳化和维护简便化等优越性，因此，它已成为国内外现代潜器、船舶推进方式中的新型发展方向，已被广泛应用于水下推进装置。(1） 螺旋桨主轴推进电机控制机构设计设计中的螺旋桨主轴的旋转运动是通过一套电力推进机构来控制和驱动的，设计研究的水下推进器控制系统中所有推进电机均为直流电机，它们的基本工作原理是一致的，所不一样的只是电机的特征参数。如下图3-4为螺旋桨主轴推进电机控制机构结构原理图：I青海大学昆仑学院 可编程逻辑器件 （CPLD）引导加载ROMDSP内核A/D转换电机驱动器 直流电机传感器原动机蓄电池电机负载 图3-4 螺旋桨主轴推进电机控制机构结构原理图 (2） 可编程逻辑器件（CPLD）的选型 对于可编程逻辑器件（CPLD）选用深圳市珍琼科技有限公司生产型号为：XC9536XL-VQ44BMN的芯片，其具体图样如图3-5所示： 图3-5 可编程逻辑器件（CPLD）芯片图 11青海大学 （3） 设计研究的控制对象设计是以一台工作在复杂水文环境下的螺旋桨推进器作为研究对象，它的主要技术参数如下：.螺旋桨叶片数（片）：2；.螺旋桨直径（m）:0.3；.额定功率（KW）:0.25；.额定电流（A）：3.7；.额定电压（V）：110；.额定转速（r/min）:1500；.最高转速（r/min）:3000；.飞轮转动惯量（N*m2）:0.0794。 （4） 根据水下螺旋桨推进器的技术参数，可以求出推进电机的相关参数及传递函数8： 研究的直流电机为理想空载情况下，负载电流IdL=0，则可以求得电机的传递函数为： （3-1）3.3 水下推进器控制系统总体方案设计 3.3.1 水下推进器控制系统的框架设计 此次设计的水下螺旋桨推进器控制系统2包括信息处理智能单元、艏部螺旋桨全方位推进器控制系统，艉部螺旋桨全方位推进器控制系统和水下航行器，外部机构单元连接信息处理智能单元，信息处理智能单元连接艏部螺旋桨全方位推进器控制系统和艉部螺旋桨全方位推进器控制系统，艏部螺旋桨全方位推进器控制系统和艉部螺旋桨全方位推进器控制系统均连接在水下航行器上，其中艏部螺旋桨全方位推进器控制系统和艉部螺旋桨全方位推进器控制系统均由螺距角控制机构和主轴I青海大学昆仑学院推进控制机构组成。螺距角控制机构包括三个相同的液压伺服系统、运动转盘和机械传动装置，三个相同的液压伺服系统均与运动转盘连相接，进而运动转盘与机械传动装置相连接，最后机械传动装置连接在艏部螺旋桨全方位推进器和艉部螺旋桨全方位推进器上；主轴推进控制机构包括转速调节器、电流调节器、功放装置、电机控制机构、电机、减速器、电流传感器和转速传感器，其中，信息处理智能单元连接转速调节器，转速调节器连接电流调节器，电流调节器连接功放装置，功放装置连接电机控制机构，电机控制机构连接电机，电机再连接电流传感器和减速器，减速器最后连接水下航行器的艏部或艉部和转速传感器，转速传感器连接转速调节器。其具体控制系统模块组成简图如图3-6所示： 艏部螺旋桨全方位推进器控制系统信息处理智能单元液压伺服系统1液压伺服系统3运动转盘机械传动艏部转速调节器电流调节器功放装置电机控制机构电机减速器水下航行器电流传感器转速传感器艉部螺旋桨全方位推进器控制系统艉部液压伺服系统2 螺距 主 轴 合力矩 导入 主轴推进 螺距角 图3-6 水下螺旋桨推进器控制系统简图 3.3.2 水下推进器控制系统的控制方式设计 设计的最终目的在于提出一种能够解决水下推进器控制机构的非线性、时变等问题的合适控制方案，做到对水下航行器的六自由度运动实现可靠、稳定、性能优越的控制，同时提高水下航行器的可操纵性和可控性，并且优化推进器控制装置。 13青海大学 对于水下推进器控制系统的传统控制方式一般采用PID控制，PID控制方法凭借自身算法简单，控制性能优越，可靠性能好等优点，迄今为止在控制领域中一直占有非常重要的地位。可对于非线性、时变、耦合的控制机构，使用传统的PID控制方法是很难达到理想的控制效果，近些年来随着人工智能的问世，出现了譬如模糊控制、神经网络控制、专家系统、遗传算法等一系列的新型智能控制方法。对于水下推进器控制系统非线性、时变、耦合及参数和结构不确定性的复杂特点，加之现代工艺要求不断提升，常规PID控制根本达不到控制效果或无法实现控制目的，然而智能控制在控制非线性、时变、耦合、参数不确定等方面却拥有一定的优势恰好能够解决复杂机构的控制问题，可以弥补PID控制的一些不足之处，设计采用了智能控制与传统PID控制方法相结合的模糊PID自适应控制的控制方式来实现对水下推进器控制系统的控制。. 小结此章节为水下螺旋桨推进器控制系统的简要框架设计。首先从时效性、性价比、占用体积三个方面对水下推进器控制系统进行了性能需求分析。第二大节给出了水下推进器控制系统基本机构设计：运动转盘控制，节能型液压动力系统，主轴驱动和控制机构，并从中给出了液压伺服系统、永磁直流伺服电机的选型、可编程逻辑器件（CPLD）的选型等。最后从控制系统框架和控制方式两方面给出了控制系统总体方案。整章为实现对水下推进器的稳定、准确、快速、全面的控制打下了坚实的理论基础，同时为控制系统的进一步设计和实际工程控制提供了一定的参考依据。I青海大学昆仑学院 第4章 水下推进器控制系统的模糊PID自适应控制 第4章 水下推进器控制系统的模糊PID自适应控制4.1 PID控制 PID（Proportion Integration Differentiation）发展至今已有70多年的历史，得到了工程界的广泛应用并已成为技术成熟的一种控制策略。经过在工程领域的长期实践和应用，控制方式和典型结构已日趋成熟，也是最早发展起来的线性控制方式之一。日本的KDD研究和开发实验室研制出来的“AQUA探索者”号船只，日本东京大学研制出来的“Twin Burger”水下机器人，在航行姿态控制中均采用了PID和PD控制算法，法国的（Super Safir ROV）也采用PID控制对航行器的航行状态进行控制，应用于科学考察场合的“The towfish Hok-ieStone”等也采用PID控制9。 4.1.1 PID控制原理 常规PID控制器（模拟PID控制器）是一种采用线性控制方式的线性控制器，由于它的控制方式简便、控制算法简单、可靠性高、稳定性好的优势而得到了广泛的应用，其最大的优点就是其自身由于积分作用的存在而使控制系统具有稳态精度高的特点。可常规 PID控制器需要较为准确的数学模型且系统须为线性定常系统，才能确定PID控制器的参数（Kp、Ki、Kd），而水下推进器在运行过程中，水纹环境中的复杂性往往具有时变性、非线性、动态不确定性等因素，操作条件不断变化，使得控制器精确的数学模型很难建立，甚至不可能建立。所以，常规PID控制器在处理这些问题时受到很大的限制，很有可能产生比较差的操纵性能，难以实现有效控制。 PID控制的特点就是只需要对控制器参数（比例系数KP、积分系数Ki和微分系数Kd）进行整定，就能够得到满意的调控结果。PID控制系统是由PID控制器和被控对象共同组成。它是按照偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合构成控制量，根据设定目标给的定值r( t) 与实际输出值y( t)构成的控制偏差e( t)，将此偏差通过PID调控，对受控对象进行控制。如下图4-1为常规PID控制系统（模拟PID控制）原理框图：积分（I） 微分（D）被控对象比例（P） + r(t) + e(t) + u(t) y(t) _ + 图4-1 PID控制系统原理框图 其中控制器的控制方程为：15青海大学 e( t) = r( t)y( t) （4-1）控制器的时域输出方程u( t)为： （4-2） PID控制器的数学模型可表示如下： （4-3）下面分别介绍PID控制器的P、I、D校正环节的主要控制作用10：（1）比例（P）部分。其数学表达式如下： （4-4）比例控制器是为了对偏差信号及时成比例地进行反映，只要偏差信号一出现，调节器立即以最快的速度产生控制作用，使输出量朝着偏差减小的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp。 从式4-4可以看出，Kp 的作用是为了加快控制系统的响应速度，进而提升系统控制精度。很明显，为了加快系统的响应速度，可以增大Kp的值，但过大的Kp值将使系统超调、振荡，甚至不稳定。然而Kp值过小，又会使系统响应速度缓慢，调节时间延长，控制精度变差，系统动态、静态特性变差。因此，必须恰当选择Kp值，才能获得良好的控制性能。 （2）积分（I）部分。其数学表达式如下： （4-5） 调节器中引入积分作用是为了消除系统中的静差，从而保证被控变量在稳态时对设定值实现无静差跟踪。积分调节具有累积作用，只要e不为零，它就会通过累积作用对控制量u进行调节，进而减小偏差，直到偏差为零。 从式4-5可以看出，积分系数Ti对积分部分影响很大。如果积分时间常数Ti较大，积分作用则较弱，这时控制系统消除偏差的时间较长，但过渡过程不容易产生振荡；反之则较强，此时控制系统消除偏差的时间较少，但过渡过程有可能会容易产生振荡。（3）微分（D）部分。其数学表达式如下： （4-6） 微分调节器的引入是为了加快控制过程，在偏差出现或变化的瞬间，就会按偏差变化的方向进行快速调节，将偏差消灭在萌芽状态，从而改善闭环系统的稳定性和动态响应速度。 从式4-6可以得出，微分作用强弱取决于微分系数Td，当Td越大时，它对抗e(t)变化的作用就越强，反之就越弱。微分作用的加入能够减小控制系统超调，克服振荡，使系统趋于稳定。 4.1.2 数字PID控制的基本原理模拟PID控制在自动控制系统中得到了广泛的应用，可由于模拟器件自身的工作状态很容受到温度的影响而产生漂移进而偏离设定好的系统工作状态；模拟器件的布局具有分散性，给系统的调1青海大学昆仑学院整带来一定的困难，工作点不容易得到准确的调控；模拟器件自身性能缺乏柔性，不具备强大的计算能力，这些缺点使其难以实现高精度、高性能的控制要求，也就极大地限制了模拟PID的应用。随着计算机技术、软件技术、通信技术等的高速发展，数字PID技术也得到了长足的发展，现在不仅能够将模拟PID控制器改成数字PID控制器，还能利用计算机强大的功能把数字PID控制规律朝着更加灵活化和智能化方向进行不断改进，使其更加适应现代化控制的要求，特别是在以微处理器为硬件核心的控制系统中得到了广泛的应用。其中数字PID控制分为位置式和增量式两种： （1）位置式PID控制算法PID被控对象 位置式PID控制算法是在模拟PID控制算法的基础上，用一系列采样时刻点为kT代表连续时间t，利用外接矩形法进行数值积分，用一阶后向差分近似代替微分，选定采样周期T分别对微分、积分环节作进行离散化。如下图4-2为一种典型的数字PID控制系统。 r(t) + e(t)u(t) - 图4-2 数字PID控制系统其表达式如下： （4-7）其中：k是采样序号，e(k)和e(k-1)分别代表第k和第k-1时刻的偏差信号。结合式4-3和式4-7可得位置式PID表达式如下： （4-8） 位置式PID控制算法分析：只要采样周期T足够小的话，这种离散逼近法是很准确的，可由于该控制算法采用了全量输出，每次输出量均与过去的状态有关，计算时需要对e(k)量进行累加，1青海大学这样使得计算机的运算量很大，给计算机带来了很大的运行负荷。况且，计算机的输出控制量u(k)对应着执行机构的实际位置，倘若计算机出现故障，u(k)可能会出现大幅度的变化，进而会引起执行机构位置的大幅度变化，这样对控制系统是危险的，严重的会造成重大工程事故，下面介绍的增量式PID控制算法可以解决上述问题。 （2）增量式PID控制算法 增量式PID算法控制器是指数字控制器的输出只是控制量每一步的增量u(k)，其中， u(k)=u(k)-u(k-1)。当需要通过对偏差求和运算进而求取控制量u(t)时，或者当执行机构控制需要的是控制量的增量时，通常采用增量式PID控制。根据递推原理结合式4-8可得增量式PID控制算法如下： （4-9） （4-10）增量式PID控制算法分析：由于计算机只输出增量，也就是执行机构的位置变化部分，因此误动作时对系统的影响小，必要时可以通过逻辑判断方法来去除；手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。另外，如果计算机发生故障，由于输出通道或执行机构具有信号锁存功能，故仍然能保持原值；k时刻的控制量u(k)只与当前时刻的偏差、前两个时刻的偏差以及前一次的控制量有关，算式中不需要通过累加计算，节约了内存和计算时间，控制增量比较容易通过加权处理就可以获得较好的控制效果。其不足之处是积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大11。 4.1.3 PID控制规律选择和参数整定的简要分析PID控制规律的选择：通过上述分析可知不管采用常规模拟PID调节器还是数字PID调节器均可实现PID调节，但为了在实际工程控制系统应用过程中能够得到满意的控制效果，需要对控制对象的特性和负荷情况进行较好的把握，对控制规律进行合理选择。就算是数字PID控制器的两种控制算法，也要合理选择，位置式PID控制算法通常用在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的控制系统中，而增量式PID控制算法往往用在以步进电动机或电动阀门作为执行器的控制系统中。 PID控制器的参数整定：参数整定是PID控制器控制系统设计的核心内容。在实际工程控制系统中，只要PID算法一确定，比例（P）、积分（I）和微分（D）参数的整定就十分重要，因为这些参数