基于雙層滑模的艦載垂直裝填機械防擺控制
瞿軍1，劉為2
1、海軍航率工程學院飛行器工程系，山東煙臺264001;2海軍航空工程學院研究生管理大隊，山東煙臺264001
摘 要：為了提高艦載垂直裝填機械系統(tǒng)的自動化程度并具備海上裝填能力，設(shè)計一個防搖控制器能夠?qū)崿F(xiàn)在裝填過程中抑制吊重的搖擺，達到防搖的目的．將艦載垂直裝填機械系統(tǒng)看作一類特殊的機器人機械手系統(tǒng)，并考慮其海上作業(yè)時的工作環(huán)境，利用機器人動力學原理建立其動基座條件下的動力學模型．針對模型的復(fù)雜、強非線性、欠驅(qū)動、具有時變參數(shù)等特點，建立了一個降階模型以方便控制器的設(shè)計，采用取特征點構(gòu)造變參數(shù)滑模函數(shù)的雙層滑模變結(jié)構(gòu)控制方法對防搖控制器進行設(shè)計：仿真研究表明，所設(shè)計的分層滑模變結(jié)構(gòu)控制器各層滑模面都能達到穩(wěn)定，并在防搖控制器的控制下，回轉(zhuǎn)角能夠跟蹤所設(shè)計的軌跡的同時能有效地抑制吊重的擺角，達到防搖的目的．
關(guān)鍵詞：艦栽垂直裝填機械；機器人動力學原理；滑�？刂疲环罁u控制；仿真
中圖分類號：tp 27 文獻標識碼：a
1引言
艦載垂直裝填機械是艦載垂直發(fā)射系統(tǒng)的一種多關(guān)節(jié)、可伸縮折疊式特種起重機，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械臂末端是通過柔性鋼纜連接，不可避免地會產(chǎn)生擺動。這種擺動對裝填的工作效率和作業(yè)安全都會產(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是提高武器裝填效率，實現(xiàn)海上補給從而提高部隊戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵技術(shù)之一。
對于起重機的防擺控制技術(shù)國內(nèi)外已有許多學者做過研究。如文獻[1]采用輸入脈沖控制器來消除橋式吊車負載擺動；文獻[2]采用滑模變結(jié)構(gòu)控制實現(xiàn)了橋式吊車在小車和繩長定位的同時，消除負載擺動的控制；文獻[3]呆用自抗擾控制器對橋式吊車系統(tǒng)進行定位和防擺控制，取得了良好的動態(tài)，靜態(tài)特性等。由于艦載垂直裝填機械的特殊機構(gòu)及在海上作業(yè)時會受到海上風浪的影響，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)控制實現(xiàn)吊重擺振消除的控制策略。
2動力學模型的建立
通過對艦載垂直裝填機械的結(jié)構(gòu)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)它與多關(guān)節(jié)剛性機械手結(jié)構(gòu)類似，而機器人動力學建模原理是解決機械手系統(tǒng)的動力學建模的很好的方法。
因此，可應(yīng)用機器人動力學建模的相關(guān)原理，將艦載垂直裝填機械表示成機械手模型，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）到裝填機機座的虛擬桿，并假設(shè)該桿件的一端即橫搖搖心是固定于一個確定的剛性機座上，可繞橫搖軸轉(zhuǎn)動，關(guān)節(jié)變量為θ1，即橫搖角；桿件2為裝填機回轉(zhuǎn)臂，關(guān)節(jié)變量為θ2平臺回轉(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動，引入一個質(zhì)量和長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及懸吊鋼纜的長度描述吊重相對于吊頂?shù)目臻g位置。各桿件均只有一個自由度，桿件間通過回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接，為簡化分析，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描述吊重擺振不很直觀，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系中的坐標，re3為吊頂?shù)降醣圪|(zhì)心的距離。
運用牛頓一歐拉法遞推公式【6】建立艦載垂直裝填機械的動力學模型，并通過優(yōu)化處理最終得到艦載垂直裝填機械吊重擺振系統(tǒng)的動力學模型為
方程組(1)是一組非常復(fù)雜的多變量、強耦合、強非線性的二階微分方程組，它能夠較為準確地反映艦載垂直裝填機械進行回轉(zhuǎn)運動時吊重的運動狀態(tài) |
