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的自動化程度并具備海上裝填能力，設計一個防搖控制器能夠實現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看作一類特殊的機器人機械手系統，并考慮其海上作業時的工作環境，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．針對模型的復雜、強非線性、欠驅動、具有時變參數等特點，建立了一個降階模型以方便控制器的設計，采用取特征點構造變參數滑模函數的雙層滑模變結構控制方法對防搖控制器進行設計：仿真研究表明，所設計的分層滑模變結構控制器各層滑模面都能達到穩定，并在防搖控制器的控制下，回轉角能夠跟蹤所設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．
關鍵詞：艦栽垂直裝填機械；機器人動力學原理；滑模控制；防搖控制；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射系統的一種多關節、可伸縮折疊式特種起重機，用于艦載武器的裝填作業。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，不可避免地會產生擺動。這種擺動對裝填的工作效率和作業安全都會產生很大的危害，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，實現海上補給從而提高部隊戰斗力的關鍵技術之一。
對于起重機的防擺控制技術國內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]采用滑模變結構控制實現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進行定位和防擺控制，取得了良好的動態，靜態特性等。由于艦載垂直裝填機械的特殊機構及在海上作業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構控制實現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構進行分析，可以發現它與多關節剛性機械手結構類似，而機器人動力學建模原理是解決機械手系統的動力學建模的很好的方法。
因此，可應用機器人動力學建模的相關原理，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，可繞橫搖軸轉動，關節變量為θ1，即橫搖角；桿件2為裝填機回轉臂，關節變量為θ2平臺回轉角度；桿件3為起重臂，關節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，引入一個質量和長度均為零的虛擬稈件，利用與之相連的虛擬關節的關節變量θ4，θ5及懸吊鋼纜的長度描述吊重相對于吊頂的空間位置。各桿件均只有一個自由度，桿件間通過回轉關節連接，為簡化分析，假定各桿件僅在其質心處具有集中質量，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lb為吊臂的長度，lr為吊重質心到吊頂的距離，h為回轉臂的高度，（ex，ey，ez）力基座質心在艦船橫搖中心坐標系中的坐標，re3為吊頂到吊臂質心的距離。
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，并通過優化處理最終得到艦載垂直裝填機械吊重擺振系統的動力學模型為
方程組(1)是一組非常復雜的多變量、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運動時吊重的運動狀態 |
