摘要
无人水下航行器是一种具有视觉和感知系统，能够通过遥控或自主操作方式在水下移动完成某些特定任务的小型自航载体，利用无人水下航行器可以完成深海探测、海洋资源开发以及在军事上作战等任务。这就要求无人水下航行器具有高度的自主性、精确的控制和较强跟踪能力。
论文的研究对象是无人水下航行器，研究的目的在于建立研究对象的数学模型，并针对数学模型进行运动控制策略的研究，为将来的实体控制作理论准备。
论文从数学模型的思想出发，详细分析了无人水下航行器的受力情况，建立了无人水下航行器的数学模型，然后对无人水下航行器的运动方程进行分解并利用小扰动原理对数学模型进行了线性化处理。
PID控制依赖于简化模型。由于存在无人水下航行器建模误差,流体动力学参数的不确定和未知洋流的干扰，控制系统必须具有不确定参数的自适应能力。PID控制既有简单易于实现的优点，又能够满足对参数自适应能力的需求，其控制品质对被控对象不太敏感，非常适用于恶劣的工业生产现场PID算法有一套完整的参数整定与设计方法，易于被工程技术人员掌握；许多工业回路中对控制快速性和控制精度不高，而更重视系统的可靠性时，使用PID控制能获得较高的性价比；长期应用过程中，对PID算法缺陷可以进行改良。
关键词：无人水下航行器，数学建模，PID控制
ABSTRACT
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KEY WORDS:unmanned underwater vehicle, mathematical modeling, PID control
目录
第一章 绪论1
1.1概述1
1.2无人水下航行器的地位和作用2
1.3无人水下航行器的发展状况2
1.4无人水下航行器的发展重点与应用前景6
1.4.1无人水下航行器的发展重点6
1.4.2无人水下航行器在军事上的应用前景7
1.5论文主要研究内容7
第二章 无人水下航行器控制系统的基本原理9
2.1无人水下航行器控制系统的基本原理和组成9
2.2舵机和舵机的回路11
2.2.1舵回路的特点12
2.2.2舵机的类型和差别12
2.2.3对舵机与舵机的回路的要求13
2.3无人水下航行器的运动参数13
2.3.1运动学方程14
2.3.2动力学方程15
2.4无人水下航行器的航向控制系统16
2.4.1无人水下航行器航向控制系统组成16
2.4.2无人水下航行器对航向控制系统的要求17
2.4.3无人水下航行器航向控制系统常用的控制规律18
2.5 无人水下航行器的横滚控制系统18
2.5.1无人水下航行器产生横滚的原因18
2.5.2无人水下航行器的横滚控制系统的组成19
2.5.3无人水下航行器的横滚控制系统常用的控制规律20
2.6无人水下航行器的深度控制系统20
2.7无人水下航行器的纵倾控制系统22
2.8无人水下航行器控制技术的发展方向23
2.9本章小结24
第三章 无人水下航行器的运动建模25
3.1坐标系的选择和运动参数的定义25
3.2无人水下航行器的受力分析29
3.2.1无人水下航行器受到的水动力29
3.2.2无人水下航行器受到的浮力32
3.2.3无人水下航行器受到的推力33
3.2.4无人水下航行器受到的重力33
3.3无人水下航行器的数学模型的建立34
3.4 无人水下航行器数学模型的简化35
3.4.1无人水下航行器运动方程的简化35
3.4.2小扰动原理36
3.4.3运动方程的线性化37
3.4.4无人水下航行器运动方程的分解38
3.5本章小结39
第4章 无人水下航行器控制策略的研究40
4.1无人水下航行器的PID控制41
4.1.1 PID控制介绍41
4.1.2 PID控制算法研究41
4.1.3 数字PID控制算法42
4.1.4 PID各参数对控制效果的影响43
4.2 PID控制器的各参数的选择44
4.2.1凑试法44
4.2.2实验经验法45
4.2.3 PID控制算法在无人水下航行器上的应用46
4.3 PID控制器的数学模型47
4.3.1数字控制器的数学模型47
4.3.2模拟PID控制器的数学模型49
4.4无人水下航行器PID控制仿真49
4.5本章小结50
第五章 结论52
参考文献53
致 谢54
毕业设计小结55
