一种悬吊漂浮物随动系统的欠驱动滑模控制算法
【技术领域】
[0001] 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 模控制算法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] -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。
[0008] 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，w为目标体的质量，_为重力加速度，1为吊索长度，:i为目标体X方向移动的加 速度，为X方向增广状态量，即X方向误差量，为X方向角度，I为X方向角加速度赢 为目标体X方向的干扰力。
[0009] 步骤三：根据运动学方程给出欠驱动滑模控制器形式：
其中，編*为X方向积分收敛项，为X方向比例收敛项，$为乂方向的动态滑模函数， 鳴为X方向滑模趋近律的切换增益，_为X方向滑模趋近律的指数收敛项，I为目标体X方 向移动的速度，1为目标体X方向移动的加速度，A为X方向状态量，即X方向误差量，_为 X方向角度，为X方向角速度，，为重力加速度J为吊索长度； 调节欠驱动滑模控制器中X方向的参数，消除X方向随动系统运行过程中的误差，使系 统达到稳定状态，实现对目标体实时跟随。
[0010] 本发明是利用滑模变结构控制设计的闭环控制系统，该控制系统的结构可以根据 当前系统的变化而做出相应的改变，使系统按照预定的轨迹运行；该控制系统对外界扰动 不敏感，具有较强的鲁棒性。本发明适用于悬吊漂浮物随动系统领域。
【附图说明】
[0011] 图1悬吊漂浮物随动系统的结构示意图； 图2悬吊漂浮物随动系统X方向坐标系； 图3为悬吊漂浮物随动系统X方向吊索摆角曲线图； 图4为悬吊漂浮物随动系统X方向吊索摆角积分曲线图； 图5为悬吊漂浮物随动系统X方向速度误差曲线图； 其中，1、X向驱动电动机，2、Y向驱动电动机，3、X向直线导轨，4、Y向直线导轨，5、随动 平台，6、光学位置测定系统，7、吊索，8、实验目标体，9、支撑桁架，10、综控系统。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0012] 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。
[0013] 【具体实施方式】二：本实施是对一种悬吊漂浮物随动系统的欠驱动滑模控制方法作 进一步说明，本实施方式中，运动学方程为：
其中，賴为目标体的质量，:_为重力加速度，I:为吊索长度，I为目标体X方向移动的加 速度，，目标体Y方向移动的加速度，_为)(方向增广状态量，即X方向误差量，懸为Y方向 增广状态量，即Y方向误差量，&为目标体X方向上的干扰力，/y为目标体Y方向上的干扰 力，|_为乂方向角度，方向角度，4为乂方向角加速度，％为γ方向角加速度。
[0014] 本实施方式所述的一种悬吊漂浮物随动系统的欠驱动滑模控制方法中，悬吊漂浮 物随动系统的作用是模拟目标体低重力状态下在水平面上的运动状态，悬吊漂浮物随动系 统的结构及X方向坐标系分布见附图1和附图2。
[0015] 观察悬吊漂浮物随动系统X方向坐标系及运动学方程可发现I、.?两个自由度方 程与％、y两个自由度方程是对称的，说明自由度与％.4相互解耦。所以根据方程的 对称性和解耦性可将运动学方程简化为：
将运动学方程改写为I的函数形式：
其中，獲.为目标体的质量，为重力加速度，f:为吊索长度，_为随动平台的加速度，》为 增广状态量，即误差量，|为角度，I为角加速度，为目标体的干扰力； 【具体实施方式】三：本实施是对一种悬吊漂浮物随动系统的欠驱动滑模控制方法作进 一步说明，本实施方式中，根据【具体实施方式】二中单自由度的运动学方程设计如下系统方 程：