[发明专利]一种悬吊漂浮物随动系统的欠驱动滑模控制方法

说明书

本发明涉及一种悬吊漂浮物随动系统的欠驱动滑模控制方法，该方法包括：建立运动学方程，根据方程对称性和解耦性简化运动学方程，基于运动学方程设计控制器以及调节控制器参数。本发明解决了其它控制方法参数难以相互协调匹配，在实时变参情况下无法保证跟踪精度的问题；改善了闭环系统的响应品质。

技术领域

本发明属于低重力随动控制系统领域，涉及一种悬吊漂浮物随动系统的欠驱动滑模控制方法。

背景技术

近年来人类探索宇宙所用的航天设备日益增多，鉴于这些航天设备必须要求可靠性和安全性，因此在地面对航天设备做测试成为必不可少的阶段，如何在地面模拟低重力环境成为问题的关键，其中悬吊法地面低重力环境模拟系统得到了广泛应用。该系统在竖直方向上通过恒张力装置提供一个作用于目标体质心并与目标体自身重力等大反向的补偿力，用于抵消目标体自身重力实现低重力模拟。在水平方向上构造基于吊索摆角调节的随动系统，当目标体在水平方向运动产生偏角时，随动系统通过补偿偏角控制悬吊装置迅速跟随目标体移动，并使干扰力冲量为零，实现卫星水平运动的实时模拟。

当前对于悬吊漂浮物水平随动系统控制算法的研究文献较少，文献《悬吊式重力补偿系统精密跟踪方法》阐述了利用非线性规划给出一种最优控制的方法实现随动系统控制。该方法属于一种规划方法，不仅寻优过程复杂，而且属于开环系统，无法保证运动过程中目标体实时改变期望轨迹。

文献《三维重力补偿方法与空间浮游目标模拟实验装置研究》针对悬吊系统随动控制问题，提出一种通过测量目标体速度和位移规划随动装置运动轨迹的方法。该方法将控制力作为驱动项，但驱动力对应转矩模式在对电机控制中精度不高，因此这种方法用于悬吊随动系统上控制效果欠佳。

已公开专利《一种悬吊飘浮物随动系统的加速度补偿控制方法及基于模式选择的控制方法》提供了一种通过角度积分设计加速度反馈控制器(PID-Acceleration，简写为PIDA)的方法，分别在电机转矩模式和转速模式下完成对随动系统的闭环控制，但该方法是基于经典PID控制所做的改进算法，参数调节比较复杂，并且在针对不同重量目标体及绳长改变时需要重新调节参数。

发明内容

为了解决现有方法针对悬吊漂浮物随动系统控制精度不高，参数难以相互协调匹配问题，现提供一种欠驱动滑模控制方法。该方法基于随动系统运动学方程，相比于传统PID控制方法，参数调节简单，在目标体重量、悬吊绳索长度发生改变的情况下微调参数便可实现实时跟随。

一种针对悬吊漂浮物随动系统的欠驱动滑模控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：明确随动系统的控制目标：控制随动平台迅速跟上目标体，跟随结束后随动平台与目标体同步运动，保持绳索竖直。

步骤二：给出悬吊漂浮物随动系统单自由度的运动学方程：

其中，m为目标体的质量，g为重力加速度，l为吊索长度，为目标体X方向移动的加速度，α_x为X方向增广状态量，即X方向误差量，θ_x为X方向角度，为X方向角加速度，J_x为目标体X方向的干扰力。

步骤三：根据运动学方程给出欠驱动滑模控制器形式：

其中，c_x1为X方向积分收敛项，c_x2为X方向比例收敛项，s_x为X方向的动态滑模函数，M_x为X方向滑模趋近律的切换增益，λ_x为X方向滑模趋近律的指数收敛项，为目标体X方向移动的速度，为目标体X方向移动的加速度，α_x为X方向状态量，即X方向误差量，θ_x为X方向角度，为X方向角速度，g为重力加速度，l为吊索长度；