结合 MATLAB 图形化模拟的水下 ROV 教学探索

结合MATLAB图形化模拟的水下ROV教学探究〔〕:

摘要：水下ROV(水下机器人)技术在海洋装备集群中是较为典型的一种技术密集型产品，由多学科交融而成的水下ROV系统，存在普遍的根本理论根本概念与特定的应用对象并存的矛盾。本文以特定的驱动系统为案例，结合MATLAB图形化模拟，直观呈现其永磁同步电机的模型，三环控制回路，以及不同输入参数的不同系统响应。此举将多知识点融入进某一详细特定水下ROV系统中，已到达掌握理论知识的来龙去脉，初步理解多学科交融的系统化思维。

关键词：水下ROV；驱动系统；模型设计

本文引用格式：郭龙川,等.结合MATLAB图形化模拟的水下ROV教学探究[J].教育现代化,2022,6(35):130-132.

一前言

在海洋强国的战略思想指导下，在海洋工程领域集聚多学科多产业已经成为目前一种普遍的学界和业界的共识，而海洋装备那么是涉海产业中较为高技术含量的一类方向领域[1-3]与此相匹配的高等教育特别是针对海洋装备的研发设计才能的提升那么显得尤为迫切。水下ROV(水下机器人)技术在海洋装备集群中是较为典型的一种技术密集型产品，因此水下ROV那么是朝着集电气、控制、构造等多学科相交融的一种具有能获得较强理论应用才能的方向去展开它的课程培养形式。

水下ROV的教学内容基于它的内部构成以及局部关键技术展开，主要内涵有：构造设计、驱动设计、密封防腐设计、控制系统设计。驱动系统作为动力系统[4-8]，在水下ROV中采用的是电机驱动，这局部内容牵连到电子电气专业；控制系统作为水下ROV的大脑局部，牵连到自动化专业，包括后期对控制系统的继续提升，诸如智能控制等，需要计算机软件的知识范畴；构造设计作为水下ROV的整体架构需要机械工程专业的指导，以及针对材料密封需要材料等专业知识[9,10]。因此作为一个多学科交融的专业课程，面对不同对象的讲授。需要有所侧重。而每个课程(控制、电气、自动化等)详细到水下ROV的其中每个局部，在讲授初期，都需要从根本原理，根本概念，根本属数学本质去引导学生。而这些专业化的根本概念是普遍意义上的，并不是针对某个特定应用对象，但是水下ROV作为一个特定的技术密集型海洋工程装备又是一个极特殊的构成体。基于这样的教学构成，需要将普遍意义上的根本概念和特别意义上的特定产品相构造，构成一种和谐的连接，如此便能在理论与应用之前找到平衡，使听者既可以理解根本理论的内涵，也可以掌握理论的详细应用，即多技术交融的水下ROV系统。

基于此种考量，本人在教学理论过程中尝试利用MATLAB图形化模拟设计的思路，将理论与应用相连接，以求到达上述的较佳效果。MATLAB图形化模拟设计的详细思路为：选取水下ROV系统中的电机驱动系统为案例，对其永磁同步电动机进展建模分析；针对水下ROV系统的交流伺服系统的电流环、速度环、位置环分别进展了设计；此外，基于simulink工具箱中的永磁同步电动机等建立了闭环伺服系统模型。通过模型仿真，分析系统构造参数对性能的影响，通过参数校正到达了理想控制效果。通过MATLAB图形化模拟，将自动化技术的根本理论根本概念内置于水下ROV系统中，使两者结合，到达理论教学和应用教学的较好效果。

二MATLAB图形化模拟在水下ROV系统中的教学应用实例

MATLAB/Simulink工具箱提供了水下ROV系统的驱动局部，即永磁同步电机的模块构建方案，利Simulink/SimPowerSystems/machine/途径下的PermanentMagnetSynchronousMachine〔永磁同步电动机〕模块可以方便的构建永磁同步电机仿真模型。该模型为气隙磁通正弦分布的三相永磁同步电动机，模型基于转子dq坐标系。定子三相绕组在内部连接至中性点，且中性点没有外接连线[11,12]。如图1所示，模型输入中的ABC为定子绕组的外部接线端，第四项输入Tm为等效到电动机转轴处的机械负载转矩。本文选用SVPWM控制方式，详细的SVPWM的算法由Matlab/Simulink分立模块实现，通过Matlab根本模块建立SVPWM算法模块，将dq坐标系下的电压转换为alpha;beta;坐标系下的电压；根据alpha;beta;轴电压判断所在扇区，同时根据alpha;beta;轴电压、频率和直流电压确定根本矢量作用时间；计算在当前第N个扇区时的根本矢量作用时间〔一个周期内的根本矢量总的作用时间〕；计算三个比拟器的值；分配根本矢量的作用时间，将比拟器的值和载波比拟，转化为矩形波输出，将作用时间转换为IGBT的开关状态。

基于以上模块可以构建永磁同步电动机的速度电流双闭环控制系统模型如图2所示。针对图2模型，得到电动机输出的机械角速度曲线如图3所示。PMSM上电之后经过约25ms之后，电动机机械角速度输出稳定在60rad/s，可得机械转速约为600rpm。在0.2s时参加700Nm的扰动负载转矩，机械角速度下降到40rad/s，而且稳态过程存在小振荡。根据电动机的机械特性曲线，加扰动负载转矩之后，定子电流增加，进而电磁转矩增加，输出转速下降。在详细设计阶段，需要根据仿真结果，选取多组稳定后的速度-电磁转矩，绘制电动机的机械特性曲线。根据根轨迹和波特图可以看出，闭环系统的极点在s左半平面，但是相角裕度小，可以通过参数修改增加系统的稳定性。这样就完成了基于MATLAB图形化模拟的水下ROV驱动局部的教学分解，此举既展示的自动化技术，包括控制理论中的时域分析稳定性分析等内容，又结合了水下ROV的详细的特定对象，同时可以指导水下ROV系统的驱动选型设计。

三结语

由多学科交融而成的水下ROV系统，尝试将各个学科的根本理论与水下ROV详细实际结合，以特定的驱动系统为案例，结合MATLAB图形化模拟，直观呈现其永磁同步电机的模型，三环控制回路，以及不同输入参数的不同系统响应。此举将多知识点融入进某一详细特定水下ROV系统中，让学生掌握理论知识的来龙去脉，且初步涉及多学科交融的相关领域，使学生不仅掌握了理论知识，还有助于提升他们的实际设计才能，更进一步可以激发学生的自主创新才能。

参考文献

【1】J.Yuh.DesignandControlofAutonomousUnderwaterRobots:ASurvey.2000,1.

【2】ChunfengYue、ShuxiangGuo、MaoxunLi.Electricalsystemdesignofasphericalunderwaterrobot(SUR-II).

【3】JunZhou,CongHuang,BoLiu,TingTingWang.AControlSystemDesignofUnderwaterRobotforDetectingUnderwaterStructures.AppliedMechanicsandMaterials,2022.

【4】ISO13628-6:2022Petroleumandnaturalgasindustries-Designandoperationofsubseaproductionsystems-Part6:Subseaproductioncontrolsystems[S].2022.

【5】滕学志.自主水下机器人能源与动力系统设计[D].中国海洋大学,2022.

【6】刘宝生.SimulationX多学科建模和仿真工具[J].CAD/CAM与制造业信息化，2022,9:34-36.

【7】李沁生,于家凤.基于Simulink的直流伺服电机PID控制仿真[J].船电技术，2022,3:26-29.

[8]YazenH.Shakir.TheoreticalDesignofaLegModuleforaHexapodUnderwaterRobot.AmericanJournalofMechanicsandApplications，2022.7.

[9]JagjeetSingh,DhirajGandhi,MayankSanghani.Designanddevelopmentofunderwaterrobot.IEEE，2022.4

[10]HeLi,BoYin,ShanshanWang,QingshuYang.DesignofunderwaterrobotcontrollerbasedonCANbus.2022.8.

[11]JunZhou,CongHuang,BoLiu,TingtingWang.AControlSystemDesignofUnderwaterRo