1. 课程导入与AUV控制问题定义

自主水下航行器（AUV）在海洋调查、管线巡检、水文测量和军事侦察等任务中，最基础也最频繁的控制需求集中在两个维度：深度与航向。深度决定它是否稳定运行在目标水层，航向决定它是否沿着测线或预定路径推进。二者看似独立，实际在航行中相互牵连，构成了本课程全部调试工作的出发点。

先明确本课程采用的坐标与符号约定，后续所有图示、参数和调试记录都以此为准：以航行器纵轴向前为正，深度以向下为正（即深度值增大表示下潜），航向以正北为0°、顺时针为正。深度控制回路的执行机构是艉部水平舵（俯仰舵），航向控制回路的执行机构是垂直舵（方向舵）。这一约定在整门课程中不再改变。

四类典型任务场景

不同任务对控制性能的侧重点差异明显，调试目标也随之不同：

• 定深巡航：在指定深度上长时间直线航行，核心指标是深度稳态误差小、抗垂向扰动能力强，对动态响应速度要求相对宽松。
• 变深机动：从当前深度切换到新的目标深度，关注的是响应快、超调小、不出现深度振荡，属于典型的阶跃响应问题。
• 航向保持：沿固定航向直行，重点是抑制偏航扰动、减小航向漂移，考验积分作用与舵机死区的配合。
• 航向跟踪：按测线或路径连续改变航向，关注跟踪滞后与转弯协调性，往往需要与前视距离、航速协同考虑。

这四类场景对应着不同的调试侧重：定深巡航调稳态，变深机动调动态，航向保持调抗扰，航向跟踪调跟随。理解这一点，才能避免用一套参数硬套所有任务。

控制难点：为什么AUV不是简单的PID问题

把AUV当成一个线性系统来调PID，往往在仿真里表现良好、下水后立刻失稳。原因在于四类固有难点：

非线性：舵效随航速变化显著，低速时舵面产生的力矩小、响应迟钝，高速时同样的舵角可能引起剧烈俯仰；水动力阻尼也与速度平方相关。同一组PID参数在不同航速下表现可能截然不同。

耦合：俯仰运动会改变深度，同时改变纵倾角，而纵倾又会影响垂直舵的等效攻角和航向响应；转弯时产生的横滚与侧滑会反过来干扰深度。深度与航向不是两个可以完全隔离的回路。

环境扰动：海流、内波、密度跃层都会施加持续或突变的垂向力与偏航力矩。定深巡航时遇到上升流，航行器会被持续抬起，这要求积分项能够缓慢积累并抵消常值扰动，但积分过强又会引起低频振荡。

模型不确定性：附加质量、阻尼系数、重心浮心位置在实际装配后与设计值存在偏差，且随负载（如加装传感器）变化。这意味着参数不能一次调定，必须具备现场整定的能力。

本课程的核心路径：以PID调试为主线

面对上述难点，本课程不追求从零建立完整的非线性模型，而是选择一条工程上最可落地的主线：以PID为控制核心，通过“建模认知—参数整定—场景验证—扰动补偿”的闭环路径掌握调试能力。选择PID的理由很实际：它结构简单、参数物理意义清晰、便于现场调整，且绝大多数AUV的底层控制仍以PID或其变体实现。把PID调明白，就掌握了AUV控制工程的主要矛盾。

下面的学习路线图展示了本课程从问题定义到工程落地的整体结构，以及深度回路与航向回路在各阶段的交汇关系：

路线图刻意把深度回路与航向回路并置，并在中间标出“耦合”双向箭头，是因为实际调试中最常见的错误就是先调好一个回路、再调另一个，结果第二个回路一调，第一个回路的性能又退化了。正确做法是在单回路初步整定后，立即进行耦合场景验证，例如在变深的同时保持航向，观察纵倾变化对航向的影响，再回头微调。

一个具体的调试起点示例

为了让后续章节有可对照的基准，这里给出一个教学用的示例配置（属于合理假设，非实测数据）：某小型AUV质量约80 kg，巡航速度1.5 m/s，深度回路初始采用纯比例控制，Kp取0.8（单位：舵角°/米误差），目标从5 m下潜至15 m。预期现象是：初期下潜较快，接近目标深度时因惯性出现约2～3 m的超调，随后在目标深度附近缓慢收敛。此时若加入微分项抑制超调、加入小积分项消除稳态偏差，就能观察到超调减小、收敛加快的变化。这个“先看现象、再调参数、再看现象”的过程，正是本课程反复训练的核心动作。

本课程后续将沿着这条路线，从AUV运动模型与舵效认知开始，逐步进入深度PID整定、航向PID整定、耦合场景验证和扰动补偿，最终形成一套可复用的现场调试记录方法。学习者应始终带着“当前调的是哪个回路、针对哪类场景、观察什么现象”这三个问题推进，而不是机械地套用参数。