結合 MATLAB 圖形化模擬的水下 ROV 教學探索

結合MATLAB圖形化模擬的水下ROV教學探究〔〕:

摘要：水下ROV(水下機器人)技術在海洋裝備集群中是較為典型的一種技術密集型產品，由多學科交融而成的水下ROV系統(tǒng)，存在普遍的根本理論根本概念與特定的應用對象并存的矛盾。本文以特定的驅動系統(tǒng)為案例，結合MATLAB圖形化模擬，直觀呈現(xiàn)其永磁同步電機的模型，三環(huán)控制回路，以及不同輸入?yún)?shù)的不同系統(tǒng)響應。此舉將多知識點融入進某一詳細特定水下ROV系統(tǒng)中，已到達掌握理論知識的來龍去脈，初步理解多學科交融的系統(tǒng)化思維。

關鍵詞：水下ROV；驅動系統(tǒng)；模型設計

本文引用格式：郭龍川,等.結合MATLAB圖形化模擬的水下ROV教學探究[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(35):130-132.

一前言

在海洋強國的戰(zhàn)略思想指導下，在海洋工程領域集聚多學科多產業(yè)已經(jīng)成為目前一種普遍的學界和業(yè)界的共識，而海洋裝備那么是涉海產業(yè)中較為高技術含量的一類方向領域[1-3]與此相匹配的高等教育特別是針對海洋裝備的研發(fā)設計才能的提升那么顯得尤為迫切。水下ROV(水下機器人)技術在海洋裝備集群中是較為典型的一種技術密集型產品，因此水下ROV那么是朝著集電氣、控制、構造等多學科相交融的一種具有能獲得較強理論應用才能的方向去展開它的課程培養(yǎng)形式。

水下ROV的教學內容基于它的內部構成以及局部關鍵技術展開，主要內涵有：構造設計、驅動設計、密封防腐設計、控制系統(tǒng)設計。驅動系統(tǒng)作為動力系統(tǒng)[4-8]，在水下ROV中采用的是電機驅動，這局部內容牽連到電子電氣專業(yè)；控制系統(tǒng)作為水下ROV的大腦局部，牽連到自動化專業(yè)，包括后期對控制系統(tǒng)的繼續(xù)提升，諸如智能控制等，需要計算機軟件的知識范疇；構造設計作為水下ROV的整體架構需要機械工程專業(yè)的指導，以及針對材料密封需要材料等專業(yè)知識[9,10]。因此作為一個多學科交融的專業(yè)課程，面對不同對象的講授。需要有所側重。而每個課程(控制、電氣、自動化等)詳細到水下ROV的其中每個局部，在講授初期，都需要從根本原理，根本概念，根本屬數(shù)學本質去引導學生。而這些專業(yè)化的根本概念是普遍意義上的，并不是針對某個特定應用對象，但是水下ROV作為一個特定的技術密集型海洋工程裝備又是一個極特殊的構成體?；谶@樣的教學構成，需要將普遍意義上的根本概念和特別意義上的特定產品相構造，構成一種和諧的連接，如此便能在理論與應用之前找到平衡，使聽者既可以理解根本理論的內涵，也可以掌握理論的詳細應用，即多技術交融的水下ROV系統(tǒng)。

基于此種考量，本人在教學理論過程中嘗試利用MATLAB圖形化模擬設計的思路，將理論與應用相連接，以求到達上述的較佳效果。MATLAB圖形化模擬設計的詳細思路為：選取水下ROV系統(tǒng)中的電機驅動系統(tǒng)為案例，對其永磁同步電動機進展建模分析；針對水下ROV系統(tǒng)的交流伺服系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)分別進展了設計；此外，基于simulink工具箱中的永磁同步電動機等建立了閉環(huán)伺服系統(tǒng)模型。通過模型仿真，分析系統(tǒng)構造參數(shù)對性能的影響，通過參數(shù)校正到達了理想控制效果。通過MATLAB圖形化模擬，將自動化技術的根本理論根本概念內置于水下ROV系統(tǒng)中，使兩者結合，到達理論教學和應用教學的較好效果。

二MATLAB圖形化模擬在水下ROV系統(tǒng)中的教學應用實例

MATLAB/Simulink工具箱提供了水下ROV系統(tǒng)的驅動局部，即永磁同步電機的模塊構建方案，利Simulink/SimPowerSystems/machine/途徑下的PermanentMagnetSynchronousMachine〔永磁同步電動機〕模塊可以方便的構建永磁同步電機仿真模型。該模型為氣隙磁通正弦分布的三相永磁同步電動機，模型基于轉子dq坐標系。定子三相繞組在內部連接至中性點，且中性點沒有外接連線[11,12]。如圖1所示，模型輸入中的ABC為定子繞組的外部接線端，第四項輸入Tm為等效到電動機轉軸處的機械負載轉矩。本文選用SVPWM控制方式，詳細的SVPWM的算法由Matlab/Simulink分立模塊實現(xiàn)，通過Matlab根本模塊建立SVPWM算法模塊，將dq坐標系下的電壓轉換為alpha;beta;坐標系下的電壓；根據(jù)alpha;beta;軸電壓判斷所在扇區(qū)，同時根據(jù)alpha;beta;軸電壓、頻率和直流電壓確定根本矢量作用時間；計算在當前第N個扇區(qū)時的根本矢量作用時間〔一個周期內的根本矢量總的作用時間〕；計算三個比擬器的值；分配根本矢量的作用時間，將比擬器的值和載波比擬，轉化為矩形波輸出，將作用時間轉換為IGBT的開關狀態(tài)。

基于以上模塊可以構建永磁同步電動機的速度電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型如圖2所示。針對圖2模型，得到電動機輸出的機械角速度曲線如圖3所示。PMSM上電之后經(jīng)過約25ms之后，電動機機械角速度輸出穩(wěn)定在60rad/s，可得機械轉速約為600rpm。在0.2s時參加700Nm的擾動負載轉矩，機械角速度下降到40rad/s，而且穩(wěn)態(tài)過程存在小振蕩。根據(jù)電動機的機械特性曲線，加擾動負載轉矩之后，定子電流增加，進而電磁轉矩增加，輸出轉速下降。在詳細設計階段，需要根據(jù)仿真結果，選取多組穩(wěn)定后的速度-電磁轉矩，繪制電動機的機械特性曲線。根據(jù)根軌跡和波特圖可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的極點在s左半平面，但是相角裕度小，可以通過參數(shù)修改增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這樣就完成了基于MATLAB圖形化模擬的水下ROV驅動局部的教學分解，此舉既展示的自動化技術，包括控制理論中的時域分析穩(wěn)定性分析等內容，又結合了水下ROV的詳細的特定對象，同時可以指導水下ROV系統(tǒng)的驅動選型設計。

三結語

由多學科交融而成的水下ROV系統(tǒng)，嘗試將各個學科的根本理論與水下ROV詳細實際結合，以特定的驅動系統(tǒng)為案例，結合MATLAB圖形化模擬，直觀呈現(xiàn)其永磁同步電機的模型，三環(huán)控制回路，以及不同輸入?yún)?shù)的不同系統(tǒng)響應。此舉將多知識點融入進某一詳細特定水下ROV系統(tǒng)中，讓學生掌握理論知識的來龍去脈，且初步涉及多學科交融的相關領域，使學生不僅掌握了理論知識，還有助于提升他們的實際設計才能，更進一步可以激發(fā)學生的自主創(chuàng)新才能。

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