基于雙層滑模的艦載垂直裝填機(jī)械防擺控制
瞿軍1，劉為2
1、海軍航率工程學(xué)院飛行器工程系，山東煙臺(tái)264001;2海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊(duì)，山東煙臺(tái)264001
摘 要：為了提高艦載垂直裝填機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)化程度并具備海上裝填能力，設(shè)計(jì)一個(gè)防搖控制器能夠?qū)崿F(xiàn)在裝填過程中抑制吊重的搖擺，達(dá)到防搖的目的．將艦載垂直裝填機(jī)械系統(tǒng)看作一類特殊的機(jī)器人機(jī)械手系統(tǒng)，并考慮其海上作業(yè)時(shí)的工作環(huán)境，利用機(jī)器人動(dòng)力學(xué)原理建立其動(dòng)基座條件下的動(dòng)力學(xué)模型．針對(duì)模型的復(fù)雜、強(qiáng)非線性、欠驅(qū)動(dòng)、具有時(shí)變參數(shù)等特點(diǎn)，建立了一個(gè)降階模型以方便控制器的設(shè)計(jì)，采用取特征點(diǎn)構(gòu)造變參數(shù)滑模函數(shù)的雙層滑模變結(jié)構(gòu)控制方法對(duì)防搖控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)：仿真研究表明，所設(shè)計(jì)的分層滑模變結(jié)構(gòu)控制器各層滑模面都能達(dá)到穩(wěn)定，并在防搖控制器的控制下，回轉(zhuǎn)角能夠跟蹤所設(shè)計(jì)的軌跡的同時(shí)能有效地抑制吊重的擺角，達(dá)到防搖的目的．
關(guān)鍵詞：艦栽垂直裝填機(jī)械；機(jī)器人動(dòng)力學(xué)原理；滑�？刂�；防搖控制；仿真
中圖分類號(hào)：tp 27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a
1引言
艦載垂直裝填機(jī)械是艦載垂直發(fā)射系統(tǒng)的一種多關(guān)節(jié)、可伸縮折疊式特種起重機(jī)，用于艦載武器的裝填作業(yè)。由于海浪作用以及吊重與裝填機(jī)械臂末端是通過柔性鋼纜連接，不可避免地會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)。這種擺動(dòng)對(duì)裝填的工作效率和作業(yè)安全都會(huì)產(chǎn)生很大的危害，直接影響裝填的快速性，因此如何消除武器在裝填過程中的擺動(dòng)是提高武器裝填效率，實(shí)現(xiàn)海上補(bǔ)給從而提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的關(guān)鍵技術(shù)之一。
對(duì)于起重機(jī)的防擺控制技術(shù)國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者做過研究。如文獻(xiàn)[1]采用輸入脈沖控制器來消除橋式吊車負(fù)載擺動(dòng)；文獻(xiàn)[2]采用滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)了橋式吊車在小車和繩長(zhǎng)定位的同時(shí)，消除負(fù)載擺動(dòng)的控制；文獻(xiàn)[3]呆用自抗擾控制器對(duì)橋式吊車系統(tǒng)進(jìn)行定位和防擺控制，取得了良好的動(dòng)態(tài)，靜態(tài)特性等。由于艦載垂直裝填機(jī)械的特殊機(jī)構(gòu)及在海上作業(yè)時(shí)會(huì)受到海上風(fēng)浪的影響，因此加大了其防擺控制的難度。
本文根據(jù)艦載垂直裝填機(jī)械防擺的特殊要求，提出了采用雙層滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)吊重?cái)[振消除的控制策略。
2動(dòng)力學(xué)模型的建立
通過對(duì)艦載垂直裝填機(jī)械的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)它與多關(guān)節(jié)剛性機(jī)械手結(jié)構(gòu)類似，而機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模原理是解決機(jī)械手系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模的很好的方法。
因此，可應(yīng)用機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模的相關(guān)原理，將艦載垂直裝填機(jī)械表示成機(jī)械手模型，如圖1所示：
圖中，桿件l為虛擬桿件，即將艦船本身看成是從艦船橫搖搖心（只考慮橫搖作用）到裝填機(jī)機(jī)座的虛擬桿，并假設(shè)該桿件的一端即橫搖搖心是固定于一個(gè)確定的剛性機(jī)座上，可繞橫搖軸轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)變量為θ1，即橫搖角；桿件2為裝填機(jī)回轉(zhuǎn)臂，關(guān)節(jié)變量為θ2平臺(tái)回轉(zhuǎn)角度；桿件3為起重臂，關(guān)節(jié)變量民為吊臂的俯仰角度θ3桿件5為懸吊鋼纜和吊重；由于吊重自由地懸吊于臂架的吊頂，為描述吊重的空間運(yùn)動(dòng)，引入一個(gè)質(zhì)量和長(zhǎng)度均為零的虛擬稈件，利用與之相連的虛擬關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量θ4，θ5及懸吊鋼纜的長(zhǎng)度描述吊重相對(duì)于吊頂?shù)目臻g位置。各桿件均只有一個(gè)自由度，桿件間通過回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接，為簡(jiǎn)化分析，假定各桿件僅在其質(zhì)心處具有集中質(zhì)量，并視各桿件為剛性。
考慮到用θ4描述吊重?cái)[振不很直觀，故采用圖1(b)中的擺角妒代之，其中，φ =θ3+θ4- π/2是鋼纜在起升平面上的投影與鉛垂線的夾角；θ5為鋼纜與起升平面的夾角。設(shè)lb為吊臂的長(zhǎng)度，lr為吊重質(zhì)心到吊頂?shù)木嚯x，h為回轉(zhuǎn)臂的高度，（ex，ey，ez）力基座質(zhì)心在艦船橫搖中心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，re3為吊頂?shù)降醣圪|(zhì)心的距離。
運(yùn)用牛頓一歐拉法遞推公式【6】建立艦載垂直裝填機(jī)械的動(dòng)力學(xué)模型，并通過優(yōu)化處理最終得到艦載垂直裝填機(jī)械吊重?cái)[振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型為
方程組(1)是一組非常復(fù)雜的多變量、強(qiáng)耦合、強(qiáng)非線性的二階微分方程組，它能夠較為準(zhǔn)確地反映艦載垂直裝填機(jī)械進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)吊重的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) |
