結(jié)合 MATLAB 圖形化模擬的水下 ROV 教學(xué)探索

結(jié)合MATLAB圖形化模擬的水下ROV教學(xué)探究〔〕:

摘要：水下ROV(水下機器人)技術(shù)在海洋裝備集群中是較為典型的一種技術(shù)密集型產(chǎn)品，由多學(xué)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(yīng)用對象并存的矛盾。本文以特定的驅(qū)動系統(tǒng)為案例，結(jié)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(yīng)。此舉將多知識點融入進某一詳細(xì)特定水下ROV系統(tǒng)中，已到達(dá)掌握理論知識的來龍去脈，初步理解多學(xué)科交融的系統(tǒng)化思維。

關(guān)鍵詞：水下ROV；驅(qū)動系統(tǒng)；模型設(shè)計

本文引用格式：郭龍川,等.結(jié)合MATLAB圖形化模擬的水下ROV教學(xué)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(dǎo)下，在海洋工程領(lǐng)域集聚多學(xué)科多產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為目前一種普遍的學(xué)界和業(yè)界的共識，而海洋裝備那么是涉海產(chǎn)業(yè)中較為高技術(shù)含量的一類方向領(lǐng)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(shè)計才能的提升那么顯得尤為迫切。水下ROV(水下機器人)技術(shù)在海洋裝備集群中是較為典型的一種技術(shù)密集型產(chǎn)品，因此水下ROV那么是朝著集電氣、控制、構(gòu)造等多學(xué)科相交融的一種具有能獲得較強理論應(yīng)用才能的方向去展開它的課程培養(yǎng)形式。

水下ROV的教學(xué)內(nèi)容基于它的內(nèi)部構(gòu)成以及局部關(guān)鍵技術(shù)展開，主要內(nèi)涵有：構(gòu)造設(shè)計、驅(qū)動設(shè)計、密封防腐設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計。驅(qū)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(qū)動，這局部內(nèi)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(gòu)造設(shè)計作為水下ROV的整體架構(gòu)需要機械工程專業(yè)的指導(dǎo)，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(xué)科交融的專業(yè)課程，面對不同對象的講授。需要有所側(cè)重。而每個課程(控制、電氣、自動化等)詳細(xì)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(xué)本質(zhì)去引導(dǎo)學(xué)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(yīng)用對象，但是水下ROV作為一個特定的技術(shù)密集型海洋工程裝備又是一個極特殊的構(gòu)成體?；谶@樣的教學(xué)構(gòu)成，需要將普遍意義上的根本概念和特別意義上的特定產(chǎn)品相構(gòu)造，構(gòu)成一種和諧的連接，如此便能在理論與應(yīng)用之前找到平衡，使聽者既可以理解根本理論的內(nèi)涵，也可以掌握理論的詳細(xì)應(yīng)用，即多技術(shù)交融的水下ROV系統(tǒng)。

基于此種考量，本人在教學(xué)理論過程中嘗試?yán)肕ATLAB圖形化模擬設(shè)計的思路，將理論與應(yīng)用相連接，以求到達(dá)上述的較佳效果。MATLAB圖形化模擬設(shè)計的詳細(xì)思路為：選取水下ROV系統(tǒng)中的電機驅(qū)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(shè)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(gòu)造參數(shù)對性能的影響，通過參數(shù)校正到達(dá)了理想控制效果。通過MATLAB圖形化模擬，將自動化技術(shù)的根本理論根本概念內(nèi)置于水下ROV系統(tǒng)中，使兩者結(jié)合，到達(dá)理論教學(xué)和應(yīng)用教學(xué)的較好效果。

二MATLAB圖形化模擬在水下ROV系統(tǒng)中的教學(xué)應(yīng)用實例

MATLAB/Simulink工具箱提供了水下ROV系統(tǒng)的驅(qū)動局部，即永磁同步電機的模塊構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)子dq坐標(biāo)系。定子三相繞組在內(nèi)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(zhuǎn)軸處的機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩。本文選用SVPWM控制方式，詳細(xì)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(biāo)系下的電壓轉(zhuǎn)換為alpha;beta;坐標(biāo)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(dāng)前第N個扇區(qū)時的根本矢量作用時間〔一個周期內(nèi)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(zhuǎn)化為矩形波輸出，將作用時間轉(zhuǎn)換為IGBT的開關(guān)狀態(tài)。

基于以上模塊可以構(gòu)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(zhuǎn)速約為600rpm。在0.2s時參加700Nm的擾動負(fù)載轉(zhuǎn)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(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，定子電流增加，進而電磁轉(zhuǎn)矩增加，輸出轉(zhuǎn)速下降。在詳細(xì)設(shè)計階段，需要根據(jù)仿真結(jié)果，選取多組穩(wěn)定后的速度-電磁轉(zhuǎn)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(qū)動局部的教學(xué)分解，此舉既展示的自動化技術(shù)，包括控制理論中的時域分析穩(wěn)定性分析等內(nèi)容，又結(jié)合了水下ROV的詳細(xì)的特定對象，同時可以指導(dǎo)水下ROV系統(tǒng)的驅(qū)動選型設(shè)計。

三結(jié)語

由多學(xué)科交融而成的水下ROV系統(tǒng)，嘗試將各個學(xué)科的根本理論與水下ROV詳細(xì)實際結(jié)合，以特定的驅(qū)動系統(tǒng)為案例，結(jié)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(yīng)。此舉將多知識點融入進某一詳細(xì)特定水下ROV系統(tǒng)中，讓學(xué)生掌握理論知識的來龍去脈，且初步涉及多學(xué)科交融的相關(guān)領(lǐng)域，使學(xué)生不僅掌握了理論知識，還有助于提升他們的實際設(shè)計才能，更進一步可以激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新才能。

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