4. 深度控制回路开环测试

在完成传感器标定与执行机构检查之后，不要急着闭合深度环。开环测试是整定前最关键的一步：它把控制器“摘出去”，由人直接给执行机构下指令，观察深度如何变化。这样做的目的不是让机器人稳定在某个深度，而是把被控对象本身的静态与动态特性摸清楚——死区有多大、饱和在哪里、增益是多少、延迟有多长。这些量直接决定后面 PID 参数的量级，也决定你该不该先做前馈或死区补偿。

先统一约定，再动手

本节统一采用以下约定，全文与图示保持一致：深度 z 以水面为 0，向下为正，单位米（m）；垂向推力指令 u 归一化为 −100%～+100%，正值表示向下推（下潜），负值表示向上推（上浮）；压载指令 b 同样归一化，正值表示注水增重。若你的推进器布置或坐标系与此相反，请在测试记录表里显式注明，切勿中途切换符号。

测试前需要满足几个条件：机器人处于静水或弱流环境，缆线留有足够余量不产生额外拉力，深度传感器零漂已在近水面复核，推进器死区与转向已在台架上确认。建议在 1～3 m 的浅水安全深度区间内做，下方留出至少 2 m 余量，并设置一名操作员随时可切回手动上浮。

测试方法：阶梯指令而非连续摇杆

开环测试的核心手法是“阶梯给定 + 保持 + 回零”。以垂向推力为例，从 u=0 开始，依次给出 +10%、+20%、+30%……直到接近饱和，每一档保持足够长时间（建议 20～40 s，视机器人垂向阻尼而定），记录深度时间序列，然后回零并等待深度稳定，再给下一档。上浮方向用负值重复一遍。压载测试同理，但压载是慢过程，每档保持时间要拉长到 1～3 min。

为什么必须回零再给下一档？因为深度是积分型被控量：只要净垂向力不为零，深度就会持续变化，不存在“稳态深度”。开环下你能观察到的是深度变化率，而不是深度本身。因此记录时真正要提取的是每一档指令下稳定段的 dz/dt（垂向速度），它才是开环增益的载体。

死区：指令给了，为什么不动

死区表现为：小指令下深度几乎不变。来源通常有三类——推进器本身的启动死区、传动/密封摩擦、以及净浮力偏差造成的“偏置”。测试时从 0 开始以 2%～5% 步进增加指令，记录深度开始持续单向变化的那一档，即为死区上边界 u_d+；反向重复得到 u_d−。若两者不对称，说明存在常值偏置（例如净浮力未配平），这个偏置量在后面做前馈补偿时非常有用。

示例（合理假设，非实测）：某小型 ROV 下潜方向在 u=+6% 时深度开始稳定增加，上浮方向在 u=−9% 时才见效，则死区约为 +6%/−9%，中点偏置约 −1.5%，提示存在轻微正浮力。此时若直接上 PID，积分项会长期在死区里“爬”，表现为响应迟钝或小幅振荡。

饱和：指令再大，速度不再涨

继续加大指令，垂向速度会先近似线性增长，随后增长变缓并趋于平台，这就是饱和。记录每个指令档对应的稳定垂向速度，画出 u–v_z 关系，线性段的斜率就是开环速度增益 K_v（单位 m/s per 100%）。饱和点取速度达到平台值 90% 对应的指令。饱和意味着：控制器输出超过该值不会带来更多 authority，反而在退出饱和时产生明显超调，因此后续整定必须做输出限幅与抗积分饱和。

延迟：从下指令到深度“有反应”

延迟由通信周期、推进器响应、机体惯性与传感器滤波共同造成。测量方法：在深度平稳时给一个明确的阶跃（如从 0 跳到 +30%），用时间戳记录指令发出时刻 t0，以及深度序列首次超出噪声带（如 ±2 cm）并持续变化的时刻 t1，t1−t0 即纯延迟的初步估计。再把深度响应达到总变化量 63% 的时间记为 t63，可粗估一阶时间常数 τ≈t63−t1。这两个数决定了 PID 的采样周期与微分项是否可用：若延迟接近或超过 τ，微分项会放大噪声，应谨慎使用。

把数据整理成可用的初步估计

测试结束后，建议按下表整理，形成一页“开环特性卡”，贴在调试记录里。表中数值为示例，用于说明字段与量级，不代表任何具体机型的实测结果。

有了这些量，PID 初值就有了依据而非盲猜。例如比例增益可先按“期望速度误差对应多少指令”反推：若希望 0.1 m/s 的速度偏差产生约 30% 的指令修正，则 K_p ≈ 30 / (0.1/0.045) ≈ 13.5（以速度误差为输入的写法，具体取决于你的控制器输入是深度误差还是速度误差，务必换算一致）。积分时间可取 3τ～5τ 量级起步，微分在延迟接近 τ 时先关闭。

常见误判与处理

第一类误判是把“深度没变”直接当成死区。若机器人净浮力较大，小指令可能只是抵消了浮力而尚未产生净运动，此时深度不变但并非执行机构死区。区分方法：观察指令回零后深度是否缓慢反向漂移，若有，说明存在浮力偏置，应先在配平上处理。第二类误判是把传感器滤波延迟算进执行延迟。若深度信号经过强低通，t1 会被推后，导致延迟高估。建议在开环测试时临时降低滤波强度或同时记录原始深度，两者对比后再定延迟。第三类是把饱和点取得过早，仅凭一两档就判断平台，容易低估 authority，应至少覆盖到速度不再明显增长的连续两档。