水下机器人模糊控制器设计

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毕业设计（论文）

（2023届本科）

题目：水下机器人模糊控制器设计

学院：工程学院

专业：电气工程及其自动化班级：11电气1班姓名：韩文杰学号：1127123指导教师：周悦

2023年6月

目录

1.绪论2

1.1.水下机器人的现状与发展趋势2

1.1.1水下机器人的发展历史21.1.2水下机器人的发展趋势21.2.水下机器人的分类21.4.水下机器人运动控制概述41.5.本毕业设计的主要内容和组织结构52.水下机器人的数学模型6

2.2.坐标系及运动参数的选取62.3.平面运动假设72.4.空间操纵运动方程82.5.水动力运动方程及垂直面动力方程92.6.本章小结113.水下机器人的PID控制12

3.1PID控制原理123.2基于PID的水下机器人控制系统133.3本章小结154.模糊控制器及在水下机器人控制中的应用16

4.1模糊控制的产生及发展164.2模糊数学基础174.3模糊控制系统的组成17

4.3.1模糊化174.3.2知识库184.3.3模糊推理184.3.4去模糊化（明了化）184.4控制变量的选取及模糊控制规则设计184.5本章小结215水下机器人模糊控制系统的构建及仿真试验22

I

5.1系统设计22

5.1.1Simulink试验箱组件、模糊工具箱225.1.2系统操作显示235.2

系统试验显示界面26

结论29展望29谢辞30

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2.4.空间操纵运动方程

要确定水下机器人的空间操纵运动方程，先要了解水下机器人受的外力。作用在机器人上的力可以分成两大类：第一类水动力，也称为流体动力。机器人在水里运动时，它的各部位会推动周边的水产生运动，相反水也会对机器人产生一股反作用力，这就是水动力。水动力的大小、方向以及它的分布都取决于水下机器人的运动，水动力会反过来影响到机器人的运动。所以只能一起求出水动力和水下机器人的运动。其次大类是非流体动力，也称它为静力，它包括了水下机器人受到的浮力和重力。与此同时，浪和流等等引起的外力也和水下机器人的运动相关，寻常也认为它们也是一种流体动力。依照刚体动力学理论，水下机器人空间六自由度运动的一般方程：

??vr?wq)?xG?(q2?r2)?yG(pq?r?)?zG(pr?q?)]?Xm?[(u??wp?ur)?yG(r2?p2)?zG(qr?p?)?xG(qp?r?)]?Ym?[(v??uq?vp)?zG(p2?q2)?xG(rp?q?)?yG(rq?p?)]?Z（2-1）m?[(w??(Iz?Iy)qr?m[yG(w??pv?qu)?zG(v??ru?pw)]?KIxp??(Ix?Iz)rp?m?[zG(u??wq?vr)?xG(w??pv?uq)]?MIyq??(Iy?Iz)pq?m?[xG?(v??ur?pw)?yG?(u??qw?vr)]?NIzr其中：

m：水下机器人的质量；

xG、yG、zG：水下机器人的重心坐标；

Ix、Iy、Iy：水下机器人的质量m对Ox,Oy,Oz轴的转动惯量;u、v、w、p、q、r：六个自由度的（角）速度；

?、v?、w?、p?、q?、r?：六个自由度的（角）加速度；uX、Y、Z、K、M、N：六个自由度的力（矩）。

方程的右端X、Y、Z、K、M、N为作用在水下机器人上的作用力以及力矩，包括了水下机器人所受重力、浮力等静力以及推进器的推力、舵的力和翼的力、水下机器人运动产生的流体水动力与浪、流等环境干扰力。从上面的方程可以看出，一旦知道了当前时刻水下机器人的运动状态以及作用在它上面的外力与外力的力矩，就可以计算出水下机器人下一时刻的运动状态，最终来构建出水下机器人的运动仿真系

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统。在大多数水下机器人中横摇不受控制，所以本毕业设计只探讨纵垂直面的运动方程。纵垂直面的运动方程如下：

??vr?wq?xG(q?r)?yG(pq?r)?zG(pr?q)]X?m[uY?m[v?wp?ur?yG(r?p)?zG(qr?p)?xG(qp?r)]

Z?m[w?uq?vp?zG(p?q)?xG(rp?q)?yG(rp?p)]（2-2）

?22???22??22??K?Ixp?(Iz?Iy)qr?m[yG(w?vp?uq)?zG(v?ur?wp)]M?Iyq?(Ix?Iy)rp?m[zG(u?wq?vr)?xG(w?vp?uq)]N?Izr?(Iy?Ix)pq?m[xG(v?ur?wp)?yG(u?wq?vr)]

式子中X和Y为横向与垂向外力，M是绕Y轴的转动力矩。u、w、q分别是横向、垂向速度以及纵

?????????向转动角速度。

02.5.水动力运动方程及垂直面动力方程

在一般状况下，水下机器人所受的水动力和机器人的载体特性、运动特性以及流体动性相关。现在把机器人的结构已经确定下来并且假定它在无限大的流场中工作，因此水动力只和水下机器人的运动特性相关。

垂直面的水动力可以表示成速度、加速度，角速度、角加速度、u、w、q、u、w、q的多元函数。根据水下机器人的特点，选用下述水动力学公式

垂直面：

???X?X?u?Xuuu2?X2?Xq2?Xwqwq

u?Z?Z0?Z?w?Z?q?Zww?Z?Zw?Z2?Zwqwq?Z（2-3）

wq??M?M0?M?w?M?q?Mww?M?Mw?M2?Mwqwq?M

wq??

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0aUdz图2-2垂直面运动

前面建立了水下机器人的水动力模型，为了简化模型，采用线性模型，设机器人直航速度不变，即u=0因而X方程退化为阻力和推力器推力的平衡方程，忽略非线性水动力项，不考虑水平面和垂直面间的耦合，探讨垂直面运动时则认为v=p=r=0，且考虑到原点取在重心合并同类项就可以得到垂直面线性动力学方程组：

?x

xg=0。将上述条件代入式(2-1)、(2-2)并

(m?Zw)w?Zww?Z???(mU?Zq)??Tz

q?????(Iy?Mq)??Mq??M???Mw?w?Mww?MTz（2-4）

其中，??q，??q，u?U，M???mgh，m为水下机器人质量，h为纵初稳心高，为重心到浮心的距离。

???????????、??、?，可得到单状态变量线性方程为：消去?A3w?A2w?A1w?A0w?(mxg?Zq)MTz?(mU?Zq)MTz?Iyy?M?)Tz?(mxgU?Mq)Tz?M?Tzq????????????考虑到Mq?较小可忽略，则得到：?、Mw?、ZqA3w?A2w?A1w?A0w?(mU?Zq)MTz?IyyT?MqT?M?TZ

??????????A3?Iy(m?Zw?)A2??Mq(m?Zw?)?IyZw

A1?MqZw?M?(m?Zw?)?Mw(mU?Zq)

A0?M?Zw

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Iys2?Mqs?M?W(s)在假设重心和浮心在一个点上，Iy??=0，于是可得深度传递函数为

Tz(s)A3s3?A2s2?A1s?A0W(s)表示深度，T(s)表示Z轴上的力

2.6.本章小结

本章首先引入了用来描述水下机器入运动的两个坐标系，根据水下机器人实际的结构和工作特性，空间六自由度运动方程，分析了机器人所受的各种力和力矩，在假设重心和浮心在同一点的状况下，得出水下机器人深度的传递函数。

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3.水下机器人的PID控制

3.1PID控制原理

3.1.1PID控制器

我们都知道自动控制技术是一个基于反馈的概念，然而反馈的要素包含三部分：测量、比较和执行。用测量的变量和期望值进行比较，产生的误差反过来改正调理控制系统相应。

PID（proportionintegrationdifferentiation），也就是比例积分微分控制器。它是有好多年历史的最早实用化的一种控制器。它的优势是简单易懂，并且不需要确切的系统模型以及其它先决条件，所以它逐步成为了应用最为广泛的控制器。PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高,被广泛应用于工业过程控制,至今仍有90%左右的控制回路具有PID结构。在PID控制中,一个关键的问题便是PID参数的整定。传统的方法是在获取对象数学模型的基础上,通过解析的方法根据某一整定原则来确定PID参数,然而实际工业生产过程中,大量被控过程机理较繁杂,往往具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点,难以建立确切的数学模型。有一些控制过程中,在噪声、负载扰动等因素的影响下,过程参数,甚至模型结构,均发生变化。这就要求PID控制中,不仅PID参数的整定不依靠对象数学模型,并且PID参数能在线调整,以满足实时控制的要求。因此在PID控制中引入自适应、自学习的机理使其应用范围更广,调