艦載特種起重機軌跡跟蹤吊重防擺控製

 

    ―）男
，博士研究生；李文秀（1940―）男

，教授，博士生導師。

 

    艦載特種起重機結構示意圖如所示。

 

    它是由4段duan形xing狀zhuang比bi較jiao規gui則ze的de剛gang性xing杆gan件jian通tong過guo關guan節jie連lian接jie形xing成cheng的de一yi種zhong與yu多duo關guan節jie剛gang性xing機ji械xie臂bi結jie構gou類lei似si的de起qi艦jian載zai特te種zhong起qi重zhong機ji是shi我wo國guo正zheng在zai研yan製zhi開kai發fa的de艦jian上shang某mou型xing垂chui直zhi熱re發fa射she超chao低di空kong近jin距ju離li作zuo戰zhan導dao彈dan裝zhuang填tian機ji構gou111.它是一種新型的多關節
、可(ke)伸(shen)縮(suo)折(zhe)疊(die)式(shi)船(chuan)用(yong)起(qi)重(zhong)機(ji)，平(ping)時(shi)折(zhe)疊(die)存(cun)放(fang)於(yu)甲(jia)板(ban)下(xia)的(de)艙(cang)室(shi)中(zhong)，工(gong)作(zuo)時(shi)被(bei)舉(ju)升(sheng)至(zhi)甲(jia)板(ban)麵(mian)鎖(suo)定(ding)後(hou)開(kai)始(shi)工(gong)作(zuo)。艦(jian)載(zai)特(te)種(zhong)起(qi)重(zhong)機(ji)是(shi)緊(jin)固(gu)在(zai)艦(jian)船(chuan)上(shang)的(de)導(dao)彈(dan)自(zi)動(dong)裝(zhuang)填(tian)機(ji)構(gou)，在(zai)作(zuo)業(ye)過(guo)程(cheng)中(zhong)無(wu)法(fa)避(bi)免(mian)由(you)於(yu)海(hai)浪(lang)的(de)運(yun)動(dong)對(dui)其(qi)造(zao)成(cheng)的(de)不(bu)利(li)影(ying)響(xiang)，即(ji)在(zai)海(hai)浪(lang)的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)，載(zai)艦(jian)將(jiang)會(hui)產(chan)生(sheng)橫(heng)搖(yao)運(yun)動(dong)（暫隻考慮橫搖運動）同tong時shi由you於yu吊diao重zhong與yu起qi重zhong機ji機ji械xie臂bi末mo端duan通tong過guo鋼gang纜lan柔rou性xing連lian接jie，因yin此ci載zai艦jian的de這zhe種zhong運yun動dong是shi通tong過guo不bu斷duan改gai變bian位wei置zhi和he姿zi態tai的de起qi重zhong機ji機ji械xie臂bi各ge關guan節jie傳chuan遞di到dao機ji械xie臂bi末mo端duan並bing與yu各ge關guan節jie的de運yun動dong相xiang疊die加jia作zuo用yong在zai與yu機ji械xie臂bi末mo端duan柔rou性xing連lian接jie的de鋼gang纜lan上shang，繼ji而er會hui使shi吊diao重zhong不bu可ke避bi免mian的de隨sui載zai艦jian以yi及ji起qi重zhong機ji機ji械xie臂bi各ge關guan節jie的de運yun動dong而er發fa生sheng擺bai動dong。吊diao重zhong的de這zhe種zhong三san維wei空kong間jian的de擺bai動dong，對dui起qi重zhong機ji的de平ping穩wen運yun行xing以yi及ji安an全quan作zuo業ye有you著zhe嚴yan重zhong的de影ying響xiang。因yin此ci
，進jin行xing軌gui跡ji跟gen蹤zong控kong製zhi的de同tong時shi，對dui該gai係xi統tong進jin行xing吊diao重zhong防fang擺bai控kong製zhi研yan究jiu有you著zhe重zhong要yao意yi義yi2―31.1xitongjiegoutedianhedonglixuemoxingzhongjixitong。zaijianyijiguanjiedeyundonghuiyinqidiaozhongdebaidong
，ergeguanjieshiyouxiangyingdeyeyazhuangzhiqudongde
，yinci，zhenggejianzaitezhongqizhongjixitongjiushiyigeyouyeyaqudongxitong、起重機機械臂係統和鋼纜吊重係統構成的串聯係統
，其係統結構如所示。

 

    艦載特種起重機串連係統示意圖由可以更加直觀的看出艦載特種起重機係統的這一串級特點，後級子係統由前級係統來驅動，*終由實際控製輸入完成係統的控製。因此
，從結構上看，該係統能夠應用李亞普諾夫後推法進行控製器的設計14一51.利用拉格朗日法建立載艦橫搖條件下起重機機械臂動力學模型如中+9（q>
，qV，小）=0.：知T12.2起重機機械臂係統引入輔助控製量u2
，由起重機機械臂係統逆運動學得負載壓力期望值為力學模型如式（2）：並令液壓係統實際負載壓力與期望負載壓力的偏差Z=p―Pd，則式（1）中起重機機械臂子係統可以表示如下：。成立He2.3液壓驅動係統對式（2）中的液壓驅動係統進行補償

，令壓驅動係統補償控製量。則由前麵和Z的定義，液壓驅動係統可以表示為v：Z=P-Pd因此基於上述3個串聯子係統模型的李亞普諾夫後推法軌跡跟蹤防擺控製器設計的主要任務就是通過選擇適當的輔助控製量Ui，U2和U3滿足￠1和￠2收斂到零。

 

    3軌跡跟蹤吊重防擺控製器定理對於由子係統M
、和L組成的艦載特種起重機串聯係統
，在吊重係統反饋控製器FC1：的作用下能夠使得￠1和￠2漸進收斂到零。其中，利用李亞譜諾夫後推法對各子係統進行鎮定，可以得到相應的輔助控製輸入U1、U2和U3.為李亞普諾夫函數，則其對時間t的導數為：貝I其對時間的導數：必須有6（1，即可令將式（11）代入式（10）中，貝有考察由子係統式（4）和（5）組成的係統
，並設U1由式（11）確定。取正定函數：同樣，有由機器人物理性質：5T.（12）此時令即通過選擇U2可使子係統L和。

 

    在空間的*大旋轉半徑為成的係統滿足李亞譜諾夫穩定性。

 

    考慮由子係統式（4）
、（5）和（6）組成的整個係統
，並設U2由式（13）給定。取正定函數：所以，有將式（15）代入式（14）中，因L是正定的
，則有3（ei，51，專2，ZtX0成立。即通過選擇M3可使子係統L
、和組成的係統滿足李亞普諾夫穩定性。

 

    由以上的推導過程
，可以得到吊重係統反饋控製器FCi和起重機機械臂係統反饋控製器FC2如式（7）和式（8）所示。起重機係統在FCi和FC2的作用下能夠滿足控製需要，即實現起重機各關節軌跡跟蹤的同時，又實現了吊重的防擺控製。

 

    4係統仿真分析4.1仿真條件軌跡規劃采用所示的結果


；載艦橫搖運動選擇正弦運動規律：qs（=即載艦*大橫搖角為10°周期為8s；4.2仿真結果分析在上述仿真條件下得到起重機將吊重從起吊點上方搬運到某指定位置上方過程中，各關節軌跡跟蹤曲線和吊重擺動曲線如

、所示。

 

    從可以看出，該控製係統能夠較好的實現軌跡跟蹤控製目標。其中軌跡跟蹤的誤差以回轉關節*大
，*大時達到了76%，但是*後還是逐漸逼近了給定曲線
，各條軌跡跟蹤誤差均小於±2%.從可以看出在該軌跡跟蹤吊重防擺控製器的作用下，能夠將吊重在豎直方向的擺動控製在很小的範圍內
，而且擺動不是很劇烈；另外，控製過程中吊重⑻吊重豎直擺角吊重在豎直和水平方向的擺角5結(jie)束(shu)語(yu)文(wen)中(zhong)提(ti)出(chu)的(de)起(qi)重(zhong)機(ji)軌(gui)跡(ji)跟(gen)蹤(zong)吊(diao)重(zhong)防(fang)擺(bai)控(kong)製(zhi)方(fang)法(fa)
，基(ji)於(yu)反(fan)饋(kui)控(kong)製(zhi)原(yuan)理(li)，利(li)用(yong)起(qi)重(zhong)機(ji)關(guan)節(jie)間(jian)的(de)耦(ou)合(he)作(zuo)用(yong)，將(jiang)吊(diao)重(zhong)擺(bai)角(jiao)和(he)關(guan)節(jie)運(yun)動(dong)變(bian)量(liang)作(zuo)為(wei)反(fan)饋(kui)量(liang)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)綜(zong)合(he)設(she)計(ji)，達(da)到(dao)實(shi)現(xian)減(jian)小(xiao)擺(bai)角(jiao)的(de)目(mu)的(de)。係(xi)統(tong)仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)該(gai)方(fang)法(fa)在(zai)完(wan)成(cheng)各(ge)關(guan)節(jie)軌(gui)跡(ji)跟(gen)蹤(zong)控(kong)製(zhi)的(de)同(tong)時(shi)，對(dui)吊(diao)重(zhong)的(de)擺(bai)動(dong)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)抑(yi)製(zhi)作(zuo)用(yong)。

 

    需xu要yao指zhi出chu的de是shi起qi重zhong機ji軌gui跡ji跟gen蹤zong和he吊diao重zhong防fang擺bai是shi相xiang互hu製zhi約yue的de，兩liang者zhe是shi一yi對dui矛mao盾dun體ti。控kong製zhi係xi統tong中zhong的de某mou些xie設she計ji參can數shu需xu要yao在zai仿fang真zhen過guo程cheng中zhong進jin行xing試shi湊cou，用yong以yi權quan衡heng軌gui跡ji跟gen蹤zong和he吊diao重zhong防fang擺bai的de精jing度du。