水下机器人电液驱动控制系统仿真设计

水下机器人的自主导航与控制系统设计第一章：引言1.1 研究背景1.2 研究目的1.3 文章结构第二章：水下机器人系统概述2.1 水下机器人的定义2.2 水下机器人的应用领域2.3 水下机器人的主要组成部分第三章：水下机器人的导航系统设计3.1 导航系统的概念与功能3.2 水下机器人的定位技术3.3 水下机器人的地图建立3.4 导航算法设计3.5 导航传感器选择与布局第四章：水下机器人的控制系统设计4.1 控制系统的概念与功能4.2 水下机器人的舵机控制4.3 水下机器人的电动机控制4.4 控制算法设计4.5 控制器硬件选择与布局第五章：水下机器人的自主导航与控制系统设计5.1 自主导航与控制系统的集成设计5.2 自主导航与控制系统的通信机制设计5.3 自主导航与控制系统的错误处理与容错机制设计第六章：仿真与实验验证6.1 系统设计的仿真平台6.2 仿真实验方案与结果分析6.3 系统设计的实验验证平台6.4 实验方案与结果分析第七章：存在问题与展望7.1 存在问题7.2 改进建议7.3 发展前景第八章：结论8.1 研究成果概述8.2 研究的不足之处8.3 展望未来参考文献第一章：引言1.1 研究背景随着水下资源的不断开发与利用，水下机器人应运而生。

水下机器人具有执行复杂任务、深入海底探测、修复设备等优势，成为现代海洋工程领域的重要工具。

然而，水下环境复杂多变，传统的遥控方式无法满足实际需求，因此需要水下机器人具备自主导航与控制能力。

1.2 研究目的本文旨在探索水下机器人的自主导航与控制系统设计，提供一种适用于水下机器人的导航与控制方案，提高水下机器人的自主性能，实现更高效、精准的任务执行。

1.3 文章结构本文分为八个章节，分别介绍了水下机器人的系统概述、导航系统设计、控制系统设计、自主导航与控制系统设计、仿真与实验验证、存在问题与展望等内容。

第二章：水下机器人系统概述2.1 水下机器人的定义水下机器人是指能够在水下环境中执行任务的无人机器人系统，它包括机械结构、电子控制、导航系统、控制系统等多个组成部分。

水下机器人设计及动力学仿真分析水下机器人是一种可以在水下进行任务的机器人，广泛应用于海洋、水库、水文、地质、生态等领域。

设计一款水下机器人需要考虑机器人的结构、动力、控制、传感、通信等方面。

在机器人设计过程中，动力学仿真分析是非常重要的一步。

一、水下机器人结构设计水下机器人的结构设计需要考虑机器人的外形、重量、浮力、机动性等问题。

一般来说，水下机器人会采用静压平衡的设计方案，将机器人的重心保持在机器人的浮力中心上方，使机器人能够在水下保持稳定。

此外，为了提高机器人的机动性，一些水下机器人会采用多自由度的设计方案，使机器人能够在水下进行各种灵活的动作。

二、水下机器人动力分析水下机器人在水中行动需要消耗能量，动力学仿真分析可以帮助设计者计算机器人在水下的运动能力和能源消耗。

在动力学仿真分析中，需要考虑机器人的外形、密度、流体阻力、推进器效率等因素。

利用计算机模拟机器人在水中的运动可以评估机器人的性能，为机器人设计和改进提供数据支持。

三、水下机器人推进器设计水下机器人的推进器设计是确保机器人在水中行动的关键因素之一。

通常情况下，水下机器人会通过电动机驱动螺旋桨或者水流喷射器进行推进。

在推进器设计中，需要考虑推进器的效率、推进力、流量、噪音等因素，以及与机器人结构的协调性和可靠性。

四、水下机器人动力控制水下机器人的动力控制需要考虑机器人的稳定性、操控性和能耗等因素。

通过控制机器人的推进器转速和方向，可以实现机器人的运动和悬停。

动力控制系统需要采用高精度的控制算法，以保证机器人的运动效率和稳定性。

五、水下机器人传感和通信水下机器人的传感和通信是机器人完成任务的关键因素之一。

水下机器人需要搭载各种传感器，如深度传感器、温度传感器、氧气传感器、声纳传感器等，以监测周围环境的变化。

同时，水下机器人需要能够与外部设备进行通信，以控制和获取机器人的状态信息。

综上所述，设计一款性能优秀的水下机器人需要综合考虑机器人的结构、动力、控制、传感、通信等因素。

水下机器人的驱动系统仿真--无刷直流电动机仿真(硕士论文)因为导师还没有给我具体的方向，只是让我先了解水下机器人的相关知识。

所以我只是对机器人的整体有个了解，还没有做深入的研究，望老师理解！因此本文首先就自治水下机器人（AUV）的数学模型和三维模型及工作原理等相关知识做了介绍，主要仿真部分是在水下机器人的动力系统。

本文只是选里一个方向的动力推动，其他方向的推动系统没有仿真。

本文把无刷直流电动机作为水下机器人的动力系统，并用simulink对其进行仿真。

1 绪论 (1)1.1研究意义 (1)1.2 AUV的介绍 (1)1.3国内外AUV研究动态 (2)2 水下机器人的总体设计及建模 (4)2.1 AUV 物理模型 (4)2.2 AUV的动力学分析 (6)2.2.1坐标系 (6)2.2.2定义运动参数 (7)2.2.3 受力分析 (7)3 水下驱动系统 (12)3.1 驱动方式的选用 (12)3.2 推力器的组成 (12)3.3 能源供给方式的选用 (13)4 AUV动力装置无刷直流电机驱动系统仿真 (14)4.1 无刷直流电机的基本结构 (14)4.2无刷直流电机的工作原理 (14)4.3 控制策略选择[3] (15)4.4 电动机本体的建模 (16)4.4.1 无刷直流电机的数学模型[4] (17)4.4.2 无刷直流电机本体的建模 (19)4. 5 驱动系统建模 (24)4.5.1 速度控制模块 (25)4.5.2 参考电流模块 (27)4.5.3电流滞环控制模块[7] (29)4.5.4 电压逆变器模块 (30)5 仿真结果及分析......................................................................................... - 32 -5.1 建模仿真参数设定.................................................................................. - 32 -5.2 仿真环境输入值设定.............................................................................. - 32 -5.3 仿真结果及分析...................................................................................... - 32 -5.3.1绕组电流仿真结果............................................................................... - 32 -5.3.2反电动势仿真结果............................................................................... - 33 -5.3.3转过角度及转子位置仿真结果........................................................... - 34 -5.3.4电机转速仿真结果............................................................................... - 35 -5.3.5 输出转矩仿真结果............................................................................... - 36 -6 总结............................................................................................................. - 38 -参考文献......................................................................................................... - 39 -致谢................................................................................................................. - 40 -1 绪论1.1研究意义近年来国外水下机器人技术发展迅速，技术水平较高。

引言液压伺服系统是以液体压力能为动力的机械量（位移、速度和力）自动控制系统按系统。

控机械量的不同，它又可以分为电液位置伺服系统、电液速度伺服控制系统和电液力控制系统三种。

电液控制系统的基本元件包括电磁阀、电液开关控制阀、光电耦合器、功率放大器、电—机械转换器、普通电液伺服阀(频宽数十赫)、高频电液伺服阀(国内产品 400 赫)、电液比例流量阀、电液比例压力阀、电液比例方向阀、电液复合阀、电液比例泵、电液通断控制阀、电液数字阀、电液数字缸、电液数字泵等。

它们广泛用于机床工业、冶金工业、船舶工业、煤炭工业和工程机械等的控制系统中。

本文要研究的是电液速度控制系统及其仿真分析，是对电液速度控制系统的各个环节进行了数学模型的建立，并应用Matlab/Simulink对电液速度控制系统进行了仿真分析,通过幅频特性和相频特性的变化得到数学模型中各个部分对整个控制系统的影响。

1 绪论液压控制是液压技术领域的重要分支。

近20年来，许多工业部门和技术领域对高响应、高精度、高功率—重量比和大功率液压控制系统的需要不断扩大，促使液压控制技术迅速发展。

特别是控制理论在液压系统中的应用、计算及电子技术与液压技术的结合，使这门技术不论在元件和系统方面、理论与应用方面都日趋完善和成熟，并形成一门学科。

目前液压技术已经在许多部门得到广泛应用，诸如冶金、机械等工业部门及飞机、船舶部门等。

我国于50年代开始液压伺服元件和系统的研究工作，现已生产几种系列电液伺服产品，液压控制系统的研究工作也取得很大进展。

1.1电液控制技术的发展及趋势液压技术的发展与流体力学理论研究相互关联。

自1650年帕斯卡提出静态液体中的压力传播规律--帕斯卡原理以来，1686年牛顿揭示了粘性液体的内摩擦定律，18世纪建立了流体力学的连续性方程。

这些理论的建立为液压技术的发展奠定了理论基础。

从1795年，英国人首先制造出世界上第一台水压机起，液压传动开始进入工程领域。

水下机器人的控制系统设计及其应用在现代科技的快速发展中，水下机器人成为拥有极大发展潜力的一种高新技术产品。

无论在水下搜索，海底勘探、海洋生态监测等领域都有着广泛的应用。

而其中一个重要的因素是水下机器人的控制系统，它决定了机器人的动作以及在工作时的稳定性和安全。

因此，针对水下机器人控制系统的设计及其应用研究是当务之急。

本文将会从控制系统的设计入手，分析其组成结构及其控制策略，以及目前水下机器人控制系统在海洋勘探、资源发掘和海底环境监测方面的应用。

一、水下机器人控制系统的设计水下机器人控制系统是机器人的大脑，决定了机器人的方向、速度和姿态，并将其与人类的指令进行接口。

有效的水下机器人控制系统可以使机器人在复杂的水下环境中高效运作，并可以避免许多危险。

水下机器人控制系统的设计一般包括能量供应系统、传感器、控制器以及执行器。

1. 能量供应系统对于大多数水下机器人而言，电池将是其能量供应系统的核心。

然而，由于水下环境的特殊性，机器人需要有较长的工作时间，因此水下机器人的控制系统需要通过一些方法来降低机器人的能量消耗。

例如，增加机器人的壳体材质以增强机器人的浮力，避免机器人对于深度的主动操控等。

此外，太阳能电池板可以在水上或水下提供独立的能源，以适应不同的水下任务需求。

2. 传感器作为与环境交互的重要组成部分，传感器可以帮助机器人识别环境以及进行数据采集。

在水下环境中，机器人需要使用各式各样的传感器，如摄像头、声学传感器、压力计、温度传感器等等，以便完成其任务。

例如，在水下搜索中，水下机器人需要具有高精度的声学和光学传感器，以便检测到目标物体。

在海底勘探中，应该采用高精度的磁力计和惯性导航系统来确定目标物体。

3. 控制器控制器是水下机器人控制系统的实质性部分，决定了机器人如何执行任务。

常见的控制器可以分为传统的PID控制器和现代的模糊控制器、神经网络控制器、遗传算法控制器等。

这些控制器通常都有输入信号、反馈信号和输出信号。

水下机器人控制系统设计及其仿真随着科技的不断发展，水下机器人在深海勘探、海洋科学研究、海底资源开发等方面的应用越来越广泛。

水下机器人的控制系统是其重要的组成部分，它直接影响到水下机器人的性能和应用效果。

因此，本文将围绕水下机器人控制系统的设计及其仿真展开讨论。

一、水下机器人控制系统的组成水下机器人控制系统包括了传感器、控制器和执行器三个组成部分。

传感器负责检测水下环境和机器人内部状态，将检测的信息传输给控制器。

控制器根据传感器反馈的信息和预设的控制策略进行计算，并将计算结果发送给执行器。

执行器则负责将控制器的指令转化为物理动作，完成机器人的控制任务。

水下机器人控制系统的三个组成部分相互协调，形成一个完整的控制系统。

二、水下机器人控制系统设计流程水下机器人控制系统的设计流程包括了系统需求分析、控制策略设计、系统建模和仿真验证四个步骤。

系统需求分析是水下机器人控制系统设计的起点。

设计者需要了解水下机器人的任务、工作环境、性能要求等信息，并根据这些信息确定控制系统需求，确定传感器种类和数量、执行器种类和数量等。

控制策略设计是控制系统设计的关键环节。

设计者需要根据水下机器人的工作特点确定合适的控制策略，如PID控制、滑模控制等。

控制器的输入和输出也要在这个环节中确定。

系统建模是控制系统设计的技术基础。

设计者需要将水下机器人及其控制系统建模成动态系统。

这个建模过程需要分析控制策略和水下环境对系统的影响，并综合考虑机器人的物理特性。

仿真验证是用来验证控制系统设计是否正确的重要步骤。

仿真可以帮助设计者模拟实际场景，分析系统响应，评估系统性能和稳定性，识别潜在问题等。

三、水下机器人控制系统仿真工具水下机器人控制系统仿真需要使用合适的工具。

目前，常用的水下机器人仿真软件有Simulink、Orca3D、AutoCAD、VirtualLab等。

Simulink是一款由MathWorks公司开发的，基于模型的设计工具。

水下机器人的控制系统设计及实现第一章引言随着科技的进步，水下机器人在海洋勘探、救援、海底管道维护等领域扮演着越来越重要的角色。

而一个高效稳定的控制系统是水下机器人能够顺利完成任务的关键之一。

本文将重点介绍水下机器人控制系统的设计及实现。

第二章水下机器人的控制系统概述水下机器人的控制系统主要由感知模块、数据传输模块、控制器和执行机构四部分组成。

感知模块负责收集环境信息，数据传输模块将信息传输给控制器，控制器根据接收到的信息制定控制策略，并通过执行机构实现运动控制。

第三章感知模块设计与实现感知模块的主要任务是获取水下环境的相关信息，包括水温、水压、水质、水流速度等。

针对不同的任务需求，可以采用不同的传感器，如温度传感器、压力传感器、水质传感器和流速传感器等。

这些传感器将信息传输给控制系统的数据传输模块，为后续的控制策略制定提供准确的数据支持。

第四章数据传输模块设计与实现数据传输模块起着枢纽的作用，将感知模块收集到的信息传输给控制器，并将控制器制定的控制策略传输到执行机构。

传统的通信方式包括有线通信和无线通信，对于水下机器人而言，由于受到水的传输特性的限制，无线通信往往是首选。

可以使用声波、电磁波等方式进行数据传输，同时还需要考虑通信的稳定性和抗干扰能力。

第五章控制器设计与实现控制器是整个系统的核心，其负责根据感知模块和数据传输模块提供的信息制定控制策略，并将策略传输给执行机构。

控制器的设计主要包括传感器数据处理、控制策略制定和控制指令生成等三个方面。

其中，传感器数据处理过程中需要进行数据滤波、数据融合等处理，控制策略制定需要将感知信息与任务要求进行匹配并确定最优策略，控制指令生成则需要根据策略生成具体的指令。

第六章执行机构设计与实现执行机构主要实现控制器制定的控制策略，包括机械臂、推进器等。

机械臂用于完成需要进行物体抓取、搬运等操作的任务，推进器用于水下机器人的运动控制。

执行机构的设计和选型需要考虑机械结构的稳定性、推进力的大小和方向控制等因素。

A M E S i m 在水下钻机机械手回转控制中的仿真设计张娜1,刘广治2(1.廊坊职业技术学院计算机科学与工程系,河北廊坊 065001;2.北京探矿工程研究所,北京 100083)摘 要:A M E S i m 软件是计算机系统工程高级建模和仿真平台,为用户提供了一个时域仿真建模环境,利用已有模型和(或)建立新的子模型,来构建优化设计所需的实际原型㊂基于A M E S i m 软件中提供的元件库,建立水下钻机机械手液压控制系统的计算机仿真模型㊂通过改变模型中的设计参数,得到相应的仿真结果;通过对结果的分析得出最优的参数设计,为真实系统的设计提供参考依据,可有效缩短研发周期,降低研发成本㊂关键词:A M E S i m ;仿真模型;机械手中图分类号:P 634,T P 391 文献标识码:A 文章编号:1009282X (2023)06000504S i m u l a t i o n d e s i g n o f A M E S i m i n r o t a r y c o n t r o l o f u n d e r w a t e r d r i l l m a n i pu l a t o r Z H A N G N a 1L I U G u a n gz h i 21 L a n g f a n g P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e D e p a r t m e n t o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g L a n g f a n gH e B e i 065001 C h i n a 2 B e i j i n g I n s t i t u t e o f E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g B e i j i n g 100083 C h i n a A b s t r a c t A M E S i m s o f t w a r e i s a n a d v a n c e d m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n p l a t f o r m f o r c o m p u t e r s y s t e m s e n g i n e e r i n g p r o v i d i n gu s e r s w i t h a t i m e -d o m a i n s i m u l a t i o n m o d e l i n g e n v i r o n m e n t t h a t u t i l i z e s e x i s t i n g mo d e l s a n d o r e s t a b l i s h e s n e w s u b -m o d e l s t o c o n s t r u c t a c t u a l p r o t o t y p e s r e q u i r e d f o r o p t i m i z a t i o n d e s i g n B a s e d o n t h e c o m p o n e n t l i b r a r y pr o v i d e d i n A M E S i m s o f t w a r e t h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n m o d e l o f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f u n d e r w a t e r d r i l l m a n i p u l a t o r i s e s t a b l i s h e d B y c h a n g i n gt h e d e -s i g n p a r a m e t e r s i n t h e m o d e l t h e c o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o n r e s u l t s a r e o b t a i n e d b y a n a l y z i n g t h e r e s u l t s t h e o p t i m a l p a r a m e t e r d e s i g n c a n b e o b t a i n e d w h i c h c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e b a s i s f o r t h e d e s i g n o f r e a l s y s t e m s t o e f f e c t i v e l y sh o r t e n t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t c y c l e a n d r e d u c e t h e c o s t s K e yw o r d s A M E S i m s i m u l a t i o n m o d e l m a n i p u l a t o r 收稿日期:20220219基金项目:廊坊市科技局项目(编号:2023011039) 作者简介:张娜(1983-),女,讲师,主要从事计算机软件仿真方面的研究,E -m a i l :l i u g u a n gz h i 01@163.c o m ㊂1 概述1.1 A M E S i m 软件A M E S i m 软件是计算机系统工程高级建模和仿真平台,它是由法国I m a g i n e 公司1995年开始推出的基于计算机技术的系统建模及仿真软件,作为系统仿真的标准平台受到了世界各国用户的一致认可㊂A M E S i m 软件主要用于解决控制㊁气动㊁电磁㊁机械以及液压等复杂的系统问题,已经被广泛用于设计和分析车辆㊁航空航天㊁工程机械和船舶㊁铁路等行业的数字试验平台㊁机器人㊁传动系统㊁泵㊁马达㊁矢量推进器等[1-3]㊂A M E S i m 为用户提供了一个时域仿真建模环境,它可利用已有模型和(或)建立新子模型,来构建优化设计所需的实际原型,采用易于识别的标准I S O 图标和简单直观的多端口框图,方便用户建立复杂系统以及用户所需的特定应用实例,还可以修改模型和仿真参数进行稳态和动态仿真㊁绘制曲线并分析仿真结果㊂该软件界面友好㊁操作方便,能够让使用者快速建立仿真模型,并能帮助用户分析系统参数以及优化设计,从而缩短开发周期,减少开发成本㊂用户可以直接使用A M E S i m 软件提供的元件库,包括信号控制库㊁机械库㊁液压库㊁液压元件设计库㊁动力传动库㊁液阻库㊁气动库㊁电磁库㊁电机及驱动库㊁冷却系统库㊁热库㊁热液压库㊁热气动库㊁热液压元件设计库㊁二项库㊁空气调节系统库等来构建仿真模型,从而可以从繁琐的数学建模中解放出来,专注于系统本身的设计㊂该软件中的应用库也正在针对不同的研究对象进行不断地补充和完善㊂此外,作为设计过程中一个重要的应用工具,A M E S i m 具有与其他软件丰富的接口,例如S i m u l i n k ㊁A d a m s㊁L a b V I E W ㊁S i m pa c k ㊁F l u x 2D ㊁R T L ab ㊁d S P A C E ㊁i S I G H T 等㊂1.2 水下钻机机械手水下钻机是一种钻探系统完全工作于水底的钻探设备,与通常的船载钻机需要钻探船或钻井平台有着完全不同的工作方式,水下钻机在水下工作时,只需要一条具有承载能力的脐带缆就可以实现远程的能量供应和通讯控制,图1为水下钻机工作示意图㊂与船载钻机相比,水下钻机具有钻探成本低㊁效率高㊁受天气影响小㊁样品扰动小㊁取心质量高㊁设备体积小㊁易操作和船舶适应性强等特点㊂因此,研发水下钻机用于海底资源勘探㊁海洋地质调查以及海洋科学考察,已成为必然趋势㊂图1 海底钻机工作示意图[4]F i g .1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f s u b s e a d r i l l i n g ma c h i n e 由于水下钻机通过远程遥控的方式进行作业,因此水下钻机钻杆的接卸需要利用机械手来完成,水下钻机钻杆接卸机械手及钻杆存储机构如图2所示㊂钻杆与岩心管均沿着径向布置在存储机构中,机械手的回转中心为钻杆和岩心管存储机构的圆心,机械手在回转马达的驱动下,沿着给定的角度去抓取钻杆用于水下钻机钻进,同时机械手也将含有取出样品的岩心管送到岩心管存储机构中㊂该过程1.机械手;2.岩心管存储机构;3.钻杆存储机构;4.机械手安装座图2 海底钻机械手及钻杆存储机构F i g .2 S u b s e a d r i l l m a n i p u l a t o r a n d d r i l l p i p e s t o r a ge m e c h a n i s m对机械手回转角度控制都很严格,机械手接卸钻杆的精度直接关系到水下钻机作业能否顺利完成㊂由于水下环境的特殊性,机械手等关键部件的研发成本很高,借助计算机仿真的手段,建立仿真模型,确定关键参数,为定型设计提供依据,降低研发成本㊂2 水下钻机机械手控制系统物理模型搭建水下钻机机械手控制系统最关键的就是控制好机械手的回转角度,并对相应角度的钻杆进行抓取㊂水下钻机机械手回转动作的控制模式是比例阀控摆动马达的回转运动,控制策略为角度反馈的闭环控制[5-8]㊂利用A M E S i m 仿真软件建立机械手控制系统仿真模型分为以下四个步骤:①方案模式(s k e t c hm o d e),可以创建新系统以及修改或完成一个已有的系统;②子模型模式(s u b m o d e l m o d e),可以给每一个元件选择子模型㊁使用首选子模型功能(pr e m i e r s u b m o d e l )以及删除元件的子模型;③参数模式(pa r a m e t e r m o d e ),可以检查或修改子模型参数㊁拷贝子模型参数㊁设置全局参数㊁选择方案的一部分区域,显示这一区域的共同参数,以及设置批运行;④仿真模式(s i m u l a t i o n m o d e ),可以初始化标准运行仿真和批量运行仿真㊁绘制结果图㊁存储和装载所有或部分坐标图的配置㊁初始化当前系统的线性化㊁完成线性化系统的各种分析,以及完成活性指数分析㊂利用A M E S i m 软件库中元器件的模型,搭建水下钻机机械手回转控制的物理模型如图3所示㊂各个模型主要参数:马达排量100m L /r,运动部件转动惯量100k gm 2,运算放大器参数10,泵排量28m L /r ,电机转速1000r /m i n ,工作压力21M P a㊂图3 机械手回转控制系统仿真模型F i g .3 S i m u l a t i o n m o d e l o f m a n i p u l a t o r r o t a t i o n c o n t r o l s ys t e m 3 水下钻机机械手回转控制系统仿真及分析钻杆在存储机构的分布规律为沿圆周每隔15ʎ布置,因此机械手的回转机构的回转角度为15ʎ的整数倍,所以选取作为输入信号,如图所示㊂图4 输入信号曲线F i g .4 I n p u t s i gn a l c u r v e 输入的控制信号为阶跃信号,控制信号与角度传感器的反馈信号进行做差,差值经过信号放大器放大后控制比例方向阀动作,摆动马达按照输入信号回转,直至角度传感器测得信号与输入信号相同为止㊂输入信号为15ʎ时,机械手回转角度响应曲线如图5所示㊂从图5可以看出,在输入的控制信号作用下,比例方向阀控制机械手回转,机械手回转角度开始时系统存在超调;在闭环控制下,慢慢稳定在输入信号所限定的位置附近进行微小角度的摆动,这种现象可能由于机械手回转部分的惯量大引起㊂改变机械手回转部分的转动惯量,可以得到机械手回转角度响应曲线规律,如图6所示㊂由图6图5 机械手回转角度响应曲线F i g .5 R e s p o n s e c u r v e o f m a n i p u l a t o r r o t a t i o n a n gl e 图6 机械手回转角度响应曲线F i g .6 R e sp o n s e c u r v e o f m a n i p u l a t o r r o t a t i o n a n gl e 可以看出,机械手回转部分的转动惯量确实可以影响超调量,但系统都存在振动㊂分析原因可能是系统的阻尼小,因此在机械手的回转控制系统中通过改变阻尼元件,来分析是否由于系统阻尼小导致角度响应曲线存在超调以及振动㊂在机械手回转系统中增加节流阀,改变节流阀的开口度,得到的机械手回转角度响应曲线如图7所示㊂从图7中可以看出,降低机械手回转控制系统的节流面积可以有效地解决系统的超调和振动,可以有效提高机械手回转的稳定性㊂图7 机械手回转角度响应曲线F i g .7 R e s p o n s e c u r v e o f m a n i p u l a t o r r o t a t i o n a n gl e改变控制信号的形式,由阶跃控制信号改变为线性输入信号,分析对机械手回转角度曲线的影响规律㊂输入的线性控制信号如图8所示,输入的线性控制信号控制机械手回转由初始位置回转到45ʎ㊂图8输入的线性控制信号F i g .8 I n p u t l i n e a r c o n t r o l s i gn a l 在图8输入的线性控制信号作用下,机械手回转角度及角速度变化曲线如图9所示㊂在线性控制信号控制下,机械手回转角度响应曲线表现为线性变化,与输入信号一致㊂比较图9与图5可以看出:线性信号控制下的机械手回转角度更加平稳,没有超调及振荡㊂由图9还可以看出机械手回转的角速度比较平稳㊂图9 机械手回转角度及角速度曲线F i g .9 M a n i p u l a t o r r o t a t i o n a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t yc u r v e 4 结论机械手回转过程中,回转部分转动惯量大小会影响机械手回转的控制精度㊂因此机械手在设计过程中,在保证强度的前提下,应尽量减轻回转部分的重量及偏心量,从而降低回转部分的转动惯量㊂机械手回转控制系统中增加节流阀可以有效增加系统阻尼,改善回转过程中的稳定性㊂A M E S i m 仿真软件可以快速搭建液压控制系统,通过改变设计参数,得出性能优化曲线,为实际液压控制系统设计提供重要依据㊂借助该软件可以有效模拟实际控制系统的效果,缩短研发周期,节省系统的设计成本㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1] 李云峰.现代计算机仿真技术的研究与发展[J ].计算技术与自动化,2002,21(4):7578,83.L I Y u n f e n g .S t u d i n g a n d d e v e l o pm e n t o f m o d e r n c o m -p u t e r s i m u l a t i o n [J ].C o m p u t i n g T e c h n o l o g y an d A u t o m a t i o n ,2002,21(4):7578,83.[2] 付凡成,彭裕.关于计算机仿真技术的研究与发展探讨[J ].电子制作,2013(21):228228.F U F a n c h e n g,P E N G Y u .D i s c u s s i o n o n r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y [J ].P r a c t i c a l E l e c t r o n i c s ,2013(21):228228.[3] 李文博.基于M a t l a b 计算机仿真在液压系统中的应用[J ].煤矿机械,2013,34(11):209211.L I W e n b o .C o m p u t e r s i m u l a t i o n o f h y d r a u l i c s ys t e m b a s e d o n M a t l a b [J ].C o a l M i n e M a c h i n e r y,2013,34(11):209211.[4] F r e u d e n t h a l T ,W e f e r G .D r i l l i n g co r e s o n t h e s e a f l o o r w i t h t h e r e m o t e -c o n t r o l l e d s e a f l o o r d r i l l i n g r i gM e B o [J ].G e o s c i e n t i f i c I n s t r u m e n t a t i o n ,M e t h o d s a n dD a t a S ys t e m s ,2013,2(2):329337.[5] 王传礼,丁凡,李其朋,等.对称四通阀控非对称液压缸伺服系统动态特性研究[J ].中国机械工程,2004,15(6):471474.W A N G C h u a n l i ,D I N G F a n ,L I Q i p e n g,e t a l .R e -s e a r c h o n d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f a s y m m e t r i c c yl i n d e r c o n t r o l l e d b y s y m m e t r i c f o u r -w a y va l v e [J ].C h i n a M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,2004,15(6):471474.[6] 史显忠,屈福政.对称四通阀控非对称液压缸动态分析[J ].起重运输机械,2006(9):6769.S H I X i a n z h o n g ,Q U F u z h e n g .D y n a m i c a n a l ys i s o f s y m m e t r i c a l f o u r -w a y v a l v e c o n t r o l l e d n o n -s ym m e t r i c a l h y d r a u l i c c y l i n d e r [J ].H o i s t i n g a n d C o n v e y i n g Ma -c h i n e r y,2006(9):6769.[7] 尚增温,孙虹.高频电液伺服系统的发展趋势与新的应用领域[J ].液压与气动,2001,1(6):45.S H A N G Z e n g w e n ,S U N H o n g .T h e d e v e l o pm e n t t r e n d a n d n e w a p p l i c a t i o n o f h i g h f r e q u e n c y el e c t r o -h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m [J ].C h i n e s e H yd r a u l i c s &P ne u m a t i c s ,2001,1(6):45.[8] 杨逢瑜.电液伺服与电液比例控制技术[M ].清华大学出版社,2009.Y A N G F e n g y u .E l e c t r o -h y d r a u l i c S e r v o a n d E l e c t r o -h y d r a u l i c P r o p o r t i o n a l C o n t r o l T e c h n o l o g y [M ].T s i n g -h u a U n i v e r s i t y Pr e s s ,2009.。

水下机器人动力系统仿真分析及控制优化一、介绍水下机器人是一种在水下环境中执行特定任务的机器人，例如海洋勘探、石油开采等。

动力系统是水下机器人的核心组成部分之一。

动力系统的设计和优化直接影响水下机器人的性能和效率。

在本文中，我们将探讨水下机器人动力系统的仿真分析和控制优化，并提出一些改进建议。

二、水下机器人动力系统水下机器人动力系统主要分为两个部分：机械系统和电力系统。

机械系统包括机器人的机身、驱动器、螺旋桨和传动系统等；电力系统包括电机、电池和电控制系统等。

机械系统是实现机器人运动和操作的基础，它的设计取决于机器人任务的性质和环境条件。

在水下环境中，机械系统需要具有防水和防腐蚀等特性。

另外，机器人的机身应具有较好的耐撞性和稳定性，以便在水下恶劣条件下长期运行。

电力系统主要负责提供机器人的动力和管理机器人的运行状态。

在水下环境中，电力系统的设计需要考虑机器人的电压、电流和功率等方面。

因此，水下机器人电力系统的设计必须考虑水下环境的特殊性，以克服水下环境中的阻力和电阻的影响。

三、水下机器人动力系统的仿真分析仿真分析是一种用计算机模拟实验进行分析的方法。

在水下机器人的设计过程中，仿真分析可以帮助工程师轻松地对不同的设计方案进行测试和验证，以选择最佳的设计方案。

为了进行水下机器人动力系统的仿真分析，需要考虑机器人机身、螺旋桨、电机和电池等因素对机器人动力系统的影响。

合理的模型和数据可以提高仿真的精度和准确性。

同时，仿真分析还需要建立适当的模型和算法，以便使用计算机计算并预测机器人的运动和能耗等。

四、水下机器人动力系统的控制优化控制优化是指通过改进水下机器人的控制系统和算法来提高机器人性能和效率。

控制系统的优化对水下机器人的任务执行有重要影响。

现代控制理论包括同时控制、自适应控制、模糊控制和神经网络控制等。

同时，通过控制系统的优化，还可以提高水下机器人的能效和性能。

例如，控制系统的改进可以提高机械系统的效率，降低机器人能耗和噪声等。