Thiết kế bộ điều khiển biểu đồ tần xuất cho các xe tải dưới nước và dưới nước

Thiết kế biểu đồ tần xuất hiệu quả (điều khiển định vị- đối xứng- vi) là thiết yếu cho hoạt động chính xác của robot và phương tiện tàu ngầm dưới nước. Những bộ điều khiển này giúp duy trì độ bền vững, điều khiển chiều sâu, và quản lý việc kiểm soát trong môi trường không thể kiểm soát. Hiểu các nguyên tắc đằng sau việc điều khiển PID và thích nghi chúng với điều kiện dưới nước có thể tăng hiệu suất đáng kể. Bài này cung cấp một hướng dẫn điều khiển, trong thực tế để thiết kế bộ điều khiển định vị máy dưới nước, bao gồm giả lập, điều chỉnh thực tế, mô phỏng và thích nghi với thế giới thực.

Nền tảng quản lý tàn tích cho ứng dụng dưới nước

Một mục kiểm soát định dạng biểu đồ tần xuất điều khiển như là một hàm của lỗi giữa một điểm đặt mong muốn và một biến tiến trình đã được đo. Luật điều khiển được thể hiện như:

Mỗi thuật ngữ phục vụ một mục đích riêng biệt trong việc định hình phản ứng khép kín trong robot dưới nước, nơi mà động lực xe không tuyến tính và đối tượng cho lực lượng như là thêm khối lượng, kéo và độ nổi, điều chỉnh chính xác của những thuật ngữ này là cần thiết.

Tương xứng (Kp)

Thuật ngữ tỉ lệ áp dụng một hành động đúng tỉ lệ với lỗi hiện tại. Đối với xe cộ dưới nước, điều này cung cấp phản ứng ngay lập tức để đi lệch trong chiều sâu, hướng, hoặc thái độ.

Mối quan hệ giữa các cơ sở (Ki)

Thuật ngữ tích phân loại lỗi trạng thái ổn định bằng cách tích hợp các lỗi trong quá khứ. Trong phương tiện tàu ngầm, lỗi trạng thái ổn định thường xuất phát từ sự sai lệch nổi hoặc sự đẩy. Tuy nhiên, hành động tích hợp có thể dẫn đến sự tích hợp gió trong khi bão hoà hay điểm lớn thay đổi, một vấn đề quan trọng cho lực đẩy dưới nước có giới hạn lực đẩy. kỹ thuật chống đẩy như kẹp hay tính toán ngược là cần thiết.

Từ mang tính chất

Thuật ngữ đạo hàm dự đoán lỗi tương lai dựa trên tốc độ thay đổi của nó, thêm ẩm vào phản ứng của các phương tiện dưới nước, hành động giúp phản hồi lại chế độ dao động của nước và động lực đẩy. Tuy nhiên, hoạt động đạo hàm tăng cường nhiễu cảm biến, thường thấy trong các bộ cảm biến áp suất dưới nước và đơn vị đo lường (MUU). Việc lọc bỏ qua hệ thống lọc thấp trên đường dẫn xuất là thực hiện chuẩn.

Những thử thách cụ thể cho môi trường dưới nước

Môi trường dưới nước có những thách thức độc đáo về việc cần thiết kế định luật pháp cẩn thận ngoài tầm tiếp cận của sách giáo khoa.

Dòng nước biến đổi và sự hỗn loạn

Dòng hải lưu có thể thay đổi độ lớn và hướng không tiên đoán được. Một bộ điều khiển định vị có thể hoạt động tốt trong điều kiện yên tĩnh nhưng trở nên không ổn định trong thời gian tăng hiện tại. các kỹ sư thường kết hợp dữ liệu cập nhật hoặc thu thập chương trình dự án dựa trên ước lượng hoặc đo dòng chảy để duy trì hiệu suất.

Tiếng ồn của bộ cảm biến và tiếng trễ

Cảm biến độ sâu (máy lọc áp suất) và hệ thống định vị âm thanh bị nhiễu và sự liên lạc bị lỗi thời. Hoạt động xác định sẽ trở nên không đáng tin cậy mà không lọc được. Tính toán nhà nước bằng bộ lọc Kalman có thể hòa hợp dữ liệu nhạy nhiễu và cung cấp phản hồi tốt hơn cho bộ điều khiển cục bộ.

Động lực xe không tuyến tính

Xe dưới nước hiển thị các không tuyến tính mạnh: kéo các lực tương ứng với các chiều của vận tốc, lực đẩy các vùng chết, và hiệu ứng khối lượng khác nhau theo hướng. Các bộ điều khiển biểu đồ tuyến tính được thiết kế tại một điểm hoạt động trên danh nghĩa có thể thất bại ở mức cực đoan. Các bộ điều khiển PID có tính tương thích hoặc có hạn thường được sử dụng để xử lý các biến thể này.

Liên lạc với các thiết bị liên lạc cho các xe cộ điều khiển từ xa (ROVs)

Các sự nhiễu loạn do nước ngoài cũng ảnh hưởng đến sự ổn định.

Thiết kế bộ điều khiển biểu đồ tần xuất hiệu quả cho các xe cộ dưới nước

Một quá trình thiết kế có hệ thống cần thiết để đạt được hiệu quả mạnh mẽ.

Bước 1: Mô hình hệ thống và Nhận diện

Trước khi điều chỉnh, phát triển mô hình động lực xe. Dùng động lực điện toán (CFD) hoặc hệ thống nhận diện hệ thống thực nghiệm từ các thử nghiệm cấp bậc. Tham số chủ chốt bao gồm khối lượng, hệ số lớn, kéo hệ số và phản ứng đẩy bị trễ. Một mô hình tuyến tính đơn giản để điều khiển độ sâu có thể là hệ thống thứ hai theo thứ hai, có thể bị hoãn.

Tài nguyên bên ngoài: bài báo về khối lượng thêm vào xe cộ

Bước 2: Phương pháp điều khiển điều chỉnh

Một số phương pháp điều chỉnh có thể được áp dụng tùy thuộc vào mô hình sẵn có:

  • Ziegler-Nichols (mở và đóng vòng xoay): ) cung cấp lợi nhuận tích cực cho phản ứng nhanh nhưng thường đòi hỏi sự tinh chỉnh thủ công. làm việc tốt nhất trên hệ thống tuyến tính, thời gian.
  • Cohen-Coon:) thích hợp cho các hệ thống với sự chậm trễ thời gian, thường xuyên trong âm thanh dưới nước. Cung cấp sự từ chối nhiễu tốt hơn Ziegler-Nicols.
  • Trình mô phỏng và sai sót với mô phỏng: thiết thực nhất cho các phương tiện dưới nước, nơi có môi trường mô phỏng (v. d., Gazebo với UUV hoặc tùy chỉnh MATLAB/Simulink) cho phép việc lặp an toàn.
  • Điều chỉnh dựa trên định dạng: sử dụng nhóm các thuật toán hạt tối ưu hóa hoặc các thuật toán di truyền để giảm thiểu một chức năng khách quan như tích phân của lỗi tuyệt đối thời gian (ITAE).

Bước 3: Lọc và chống lại phụ nữ

TF là 5–10% của thời gian chiếm ưu tiên. Dùng cơ chế chống gió ngược: tắt tích hợp tích hợp tích hợp khi bão hoà kết xuất, hoặc sử dụng tính toán ngược với một kết quả theo dõi Kb = 1/Kp tương tự.

Bước 4: Mô phỏng trước khi triển khai

Dùng mô phỏng có hệ thống để kiểm soát các điều kiện hoạt động. Sự nhiễu như dòng nước, nhiễu cảm biến với sự biến đổi thực tế, và độ bão hoà nhiệt độ. Kiểm tra khả năng giữ độ sâu, điều khiển tiêu điểm và giữ vị trí. Các nền tảng mô phỏng như [FLT: 0] [FLT: 1] Đối với ROS/ Gazebo được sử dụng rộng rãi trong cộng đồng robot dưới nước.

Bước 5: Sắp xếp và mở rộng thích nghi

Đối với các phương tiện vận hành trên một phạm vi rộng hay độ sâu, việc đạt được chương trình định giờ có thể điều chỉnh mục tiêu PID có thể được dựa trên các biến (v. d., độ sâu, vận tốc, quay bán kính). Hoặc sử dụng một bộ điều khiển định vị mờ hoặc một bộ điều khiển tham chiếu tham chiếu về sự thích nghi (RAC) để đạt được liên tục thích nghi. Việc điều khiển thích nghi đặc biệt hiệu quả đối với tàu lặn có khả năng nâng hay nổi nhờ sự hấp thụ nước.

Những ứng dụng thực tế và nghiên cứu trường hợp

Điều khiển cục điều khiển mật độ hiệu quả cho phép một loạt các nhiệm vụ dưới nước.

Xe cộ dưới nước tự động (AUVs) để kiểm tra đường ống

Nhiều quảng cáo AUVs, như Blue Humanical prop ), sử dụng các bộ điều khiển PID: một vòng ngoài để định vị điểm và một vòng lặp bên trong cho thái độ và chiều sâu. Điều chỉnh vòng tròn bên trong tích cực (số Kp, điều chỉnh Kd) trong khi làm cho vòng lặp bên ngoài chậm (lowp, đầy đủ) bảo đảm các vòng tuần hoàn ổn định, không hoạt động theo sau.

Công việc quản lý ROV

Các phương tiện điều khiển từ xa sử dụng cho sự can thiệp dưới nước cần thiết giữ vị trí chính xác trong khi thao tác cánh tay. Cách tiếp cận thông thường là sử dụng bộ điều khiển định hướng và độ sâu riêng biệt để điều khiển phương tiện, với những lợi ích được làm mềm khi người điều khiển di chuyển (để tránh sự sửa chữa động cơ đẩy không cần thiết). Nhiều đội sử dụng một "try- swable" có thể được chọn để người điều chỉnh.

Name

Tàu lượn dưới nước sử dụng bộ điều khiển định vị để điều chỉnh độ nổi và độ dốc để theo dõi quỹ đạo cưa răng. Cụm từ tích phân là quan trọng để bù đắp sự trôi dạt cân chỉnh, trong khi hành động phái sinh là tối thiểu để tránh phản ứng với chuyển động do sóng. Việc điều chỉnh được thực hiện bằng các thí nghiệm mở rộng với dữ liệu sau tiến trình xử lý.

Những sự suy xét cấp cao

Gió thổi ở động cơ đẩy

Lực đẩy có giới hạn. Không có lực đẩy có khả năng đẩy. Không có khả năng chống tua lại, tích hợp trong khi lỗi lớn (v. d., sau khi thay đổi điểm đã định điểm) có thể gây ra quá nhiều khả năng bắn và không ổn định. Giải pháp mạnh nhất là kẹp chặt: ngưng tích hợp khi kết xuất bị bão hòa và lỗi ở cùng hướng với độ bão hoà. Để có nhiều hệ thống nâng cao hơn, hãy sử dụng sự kết hợp điều kiện với vùng chết.

Thời gian

Sự chậm trễ giao tiếp Acoustic trong biển sâu có thể là vài giây. Một bộ điều khiển hệ thống định vị chuẩn sẽ trở nên không ổn định với sự chậm trễ tinh khiết. Tăng một Smith dự đoán hoặc một máy lọc dạng PID với mô hình chậm để duy trì sự ổn định. Hoặc sử dụng bộ điều khiển dự đoán, nhưng PID cộng Smith thì đơn giản và hiệu quả cho nhiều vòng lặp thấp.

Phản hồi nhạy cho việc thay đổi phản hồi

Khi có, cầu chì nhiều cảm biến để tăng chất lượng phản hồi. Để điều khiển độ sâu, kết hợp bộ lọc áp suất cao (nhật nhưng nhanh) với bộ điều khiển tần số thấp nhưng chậm hơn nhưng chậm hơn áp suất tuyệt đối dùng bộ lọc bổ sung. Đối với thái độ, hãy dùng bộ lọc bổ sung và đồng hồ đo từ trường với bộ lọc Madgwick hay Mahyy. Tình trạng lọc có thể hoạt động như là đầu vào bộ điều khiển PID, giảm nhiễu từ.

Tài nguyên bên ngoài: Bắt đầu lọc bổ sung cho robot

Kết luận

Việc thiết kế bộ điều khiển định dạng biểu đồ để làm robot dưới nước đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về lý thuyết điều khiển và động lực thủy điện độc đáo của môi trường biển. Bằng cách theo một phương pháp có hệ thống bao gồm mô hình, mô phỏng, điều chỉnh cẩn thận với việc chống gió và lọc, và thích nghi với việc thay đổi điều kiện, các kỹ sư có thể đạt được sự điều khiển ổn định và chính xác trong phạm vi các nền tảng tàu ngầm. Sự phát triển tiếp tục của khung nền bền vững vẫn là nền tảng của robot thực dụng dưới nước, cho phép thám hiểm, và can thiệp trong đại dương. khi các thiết kế có khả năng thay đổi và tính toán trở thành mô hình thích nghi dựa trên tính năng và phần mở rộng lời hứa lớn hơn trong hoạt động của công việc làm việc khó khăn hơn.