垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平的偏差耦合同步控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平的偏差耦合同步控制方法，步驟如下：首先建立垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；再通過(guò)基于偏差耦合的主動(dòng)同步姿態(tài)調(diào)平控制方法調(diào)節(jié)位置；最后進(jìn)行垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。本發(fā)明針對(duì)多缸系統(tǒng)中普遍存在的大偏載、強(qiáng)耦合、強(qiáng)非線性及參數(shù)時(shí)變等特性，提出了一種耦合同步控制方法——偏差耦合控制，該法采用誤差補(bǔ)償器對(duì)多缸同步誤差進(jìn)行前饋補(bǔ)償控制，考慮了自身以及其他各通道的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有效地處理了各通道間的耦合關(guān)系，從而減小各個(gè)子通道的同步誤差，達(dá)到同步運(yùn)動(dòng)的目的。對(duì)比仿真結(jié)果驗(yàn)證了引入該同步控制方法的有效性。
【專利說(shuō)明】
垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平的偏差耦合同步控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電液伺服控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平的偏差耦 合同步控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為地面武器的中堅(jiān)力量，車載導(dǎo)彈具備野外發(fā)射、避開(kāi)敵方雷達(dá)偵察的優(yōu)勢(shì)，能 夠最大程度地打擊敵人和保存自己，因此對(duì)于導(dǎo)彈發(fā)射裝置來(lái)說(shuō)，高機(jī)動(dòng)性能和快速反應(yīng) 性能則是為我方爭(zhēng)取作戰(zhàn)時(shí)間的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)導(dǎo)彈多用傾斜發(fā)射，存在發(fā)射盲區(qū)，而垂直 發(fā)射具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)死角發(fā)射、反應(yīng)迅速、射程遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用。但由于受到戰(zhàn) 場(chǎng)環(huán)境以及裝備性能的直接影響，垂直發(fā)射裝置從放列，調(diào)平到撤收一系列的轉(zhuǎn)換動(dòng)作，其 所需時(shí)間差距較大，這也是制約武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的重要環(huán)節(jié)。研究表明，導(dǎo)彈發(fā)射前發(fā)射 平臺(tái)的調(diào)平時(shí)間占整個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間的三分之一。因此，研發(fā)高效率、高精度和快速的調(diào)平技術(shù) 對(duì)減少導(dǎo)彈武器發(fā)射前的準(zhǔn)備時(shí)間，提高武器系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力、精確打擊能力和生存 能力有著重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。
[0003] 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，大型、重載設(shè)備的運(yùn)動(dòng)單靠傳統(tǒng)的單執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式顯 然已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代工程的要求，而液壓同步驅(qū)動(dòng)因其功率密度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及易于實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)逐步被工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，尤其是近年來(lái)在重載平臺(tái)、大型鉆機(jī)、機(jī)器人控 制以及機(jī)動(dòng)雷達(dá)、防空武器發(fā)射平臺(tái)等領(lǐng)域，多液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步驅(qū)動(dòng)已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮，在工 程實(shí)際中具有很大的發(fā)展空間，研究意義重大。經(jīng)典液壓同步控制方法主要是由 Robert .D. Lorenz和Y.Koren提出并發(fā)展起來(lái)的，主要分為以下3類：同等方式、主從式和交 叉耦合控制。隨著航空航天、軍用雷達(dá)以及重載提升領(lǐng)域?qū)Ω呔韧竭\(yùn)動(dòng)要求的提高，經(jīng) 典同步控制方法面臨了一系列的問(wèn)題，如對(duì)于具有外界擾動(dòng)、強(qiáng)耦合、參數(shù)時(shí)變以及強(qiáng)非線 性的系統(tǒng)，經(jīng)典同步控制方法己無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度同步的要求。隨著計(jì)算機(jī)以及控制理論的 發(fā)展，偏差耦合同步控制方法應(yīng)運(yùn)而生。
[0004] 偏差耦合同步控制的原理是將系統(tǒng)中某被控對(duì)象與其他控制對(duì)象分別比較，然后 將所得偏差信號(hào)進(jìn)行相加作為該控制對(duì)象的補(bǔ)償信號(hào)。這種控制算法最主要的改進(jìn)在于利 用各個(gè)系統(tǒng)之間的阻尼系數(shù)關(guān)系，將相對(duì)信號(hào)添加到反饋信號(hào)中。偏差耦合控制結(jié)構(gòu)源于 傳統(tǒng)的交叉耦合同步控制，只是在其基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)，使其既能克服交叉耦合控制的 一些缺點(diǎn)，又能保留交叉耦合控制高精度等特性。對(duì)于具有外界擾動(dòng)、強(qiáng)耦合、參數(shù)時(shí)變以 及強(qiáng)非線性的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度同步的要求。
[0005] 目前，偏差耦合同步控制主要應(yīng)用于多電機(jī)同步控制領(lǐng)域，而在多液壓缸同步控 制領(lǐng)域的研究還處于一個(gè)起步階段。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)合理有效的液壓同步系統(tǒng)，并借鑒 耦合同步控制方法在多電機(jī)同步控制領(lǐng)域的研究成果，再輔之于合適的控制算法對(duì)多液壓 缸同步控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，從液壓系統(tǒng)及其控制算法這兩個(gè)方面著手來(lái)提高多液壓缸同步 控制系統(tǒng)的同步性能具有很大的發(fā)展?jié)摿?，是一個(gè)嶄新的學(xué)術(shù)課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平的偏差耦合同步控制方法，旨在 解決多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中由于外界干擾因素導(dǎo)致的各軸動(dòng)態(tài)特性不匹配問(wèn)題，探索一種有效的 多液壓缸同步控制技術(shù)，使各通道間的參數(shù)一致，弱化模型不確定性的影響，從而提高同步 精度。
[0007] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平的偏差耦合同步 控制方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1，建立垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：
[0009] 具體如下：
[0010]根據(jù)坐標(biāo)系間坐標(biāo)變換理論，任意一個(gè)非水平狀態(tài)的坐標(biāo)系均由一個(gè)水平坐標(biāo)系 依次以X軸、Y軸、Z軸為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)一定角度得到，而最終生成的坐標(biāo)系與原水平坐標(biāo)系間 的坐標(biāo)變換矩陣#有如下關(guān)系式：
[0013]其中，α、β和γ分別為發(fā)射平臺(tái)X軸、Y軸、Z軸方向的傾角，Ra為坐標(biāo)系0ΧΑ到坐標(biāo) 系OXqZq的二維坐標(biāo)變換矩陣，Re為坐標(biāo)系ΟΥιΖι到坐標(biāo)系OYqZq的二維坐標(biāo)變換矩陣，RY為坐 標(biāo)系ΟΧιΥι到坐標(biāo)系OXqYq的二維坐標(biāo)變換矩陣；
[0014] 設(shè)各支腿在平臺(tái)坐標(biāo)系0ΧΛΖ沖的坐標(biāo)為1Pi = (iPix，，iPiz )τ，在水平坐標(biāo)系 ΟΧοΥοΖο中的坐標(biāo)為0Pi = (0Pix，0Piy，0P iz)τ，發(fā)射平臺(tái)的重心G在0ΧΛΖ!坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為1G =(t，心，^)τ，在ΟΧοΥοΖ。坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為 °G = (°GX，°Gy，°GZ)τ;
[0015] 結(jié)合發(fā)射平臺(tái)調(diào)平的實(shí)際情況，式(5)簡(jiǎn)化為
[0017] 已知1G=(Gx，Gy，0)T，發(fā)射平臺(tái)四個(gè)支腿在平臺(tái)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為 1?:=(0,0， 0)\中2=〇^，0,0)7>3 = 〇^，0)7>4=(0，11，0)7，其中1^為發(fā)射平臺(tái)的長(zhǎng)，!1為發(fā)射平臺(tái)的 寬；
[0018] 由. W (KU,3,4),得到水平坐標(biāo)系下的各點(diǎn)坐標(biāo)：
[0019] °Pi=(0,0,0)T (7)
[0020] °P2=(L cosa,〇,-L sina)T (8)
[0021] 0P3=(L cosa+H sinasinP，H cos0，_L sina+H cosasinP)1" (9)
[0022] °P4=(H sinasinP,H cosP,H cosasinP)T (10)
[0023] 〇G=(Gx cosa+Gy sinasinP，Gy cos0，_Gx sina+Gy cosasinP)1" (11)
[0024] 即垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
[0025] 步驟2,通過(guò)基于偏差耦合的主動(dòng)同步姿態(tài)調(diào)平控制方法調(diào)節(jié)位置：
[0026] 具體如下：
[0027] 所述垂直發(fā)射平臺(tái)的每條支腿均對(duì)應(yīng)一個(gè)單出桿液壓缸；
[0028]步驟2-1，判斷最高支撐腿
[0029] 當(dāng)發(fā)射平臺(tái)處于非水平狀態(tài)時(shí)，支腿1為坐標(biāo)系原點(diǎn)，傾角α和β的正負(fù)由右手螺旋 法則判定，其中α和β分別對(duì)應(yīng)平臺(tái)的橫滾角和俯仰角；
[0030] 步驟2-2,計(jì)算高度差
[0031]由于平臺(tái)傾角為小角度，為了方便計(jì)算，近似有cosa = cos0=l，sina = a，sin0 = β;于是￥簡(jiǎn)化成
[0035] 得到各支撐點(diǎn)在水平坐標(biāo)系中Z方向上的坐標(biāo)為Vlz
[0036] °Ρ?ζ = -α1Ρ?χ+β1Ρ?γ (14)
[0037] 由于平臺(tái)調(diào)平前是預(yù)支承狀態(tài)，初始傾角為αο,βο;代入式（14)得到一個(gè)最高支撐 點(diǎn)，設(shè)最高點(diǎn)由此得到任意時(shí)刻各支撐點(diǎn)的位置誤差&為：
[0038] e i = °Phz-°Piz = -a〇 (^hx-^ix) +β〇 (^hy^iy) (15)
[0039] 1)當(dāng)aQ〈0，β〇>0時(shí)，得到初始狀態(tài)支腿3最高，支腿1最低，將各支撐點(diǎn)坐標(biāo)代入式 (15)得：
[0040] ei = -aoL+βοΗ, Θ2 = β〇Η, e3 = 0, e4=-a〇L (16)
[0041] 因此，支腿上升的總行程D為：
[0043] 調(diào)平時(shí)間由最低支腿1的位置誤差的大小決定：
[0044] T = ei/v= (-aoL+βοΗ)/v (18)
[0045] 其中T為調(diào)平時(shí)間，￥為液壓缸的上升速度；
[0046] 2)當(dāng)α〇>〇，β〇>〇時(shí)，得到初始狀態(tài)支腿4最高，支腿2最低，將各支撐點(diǎn)坐標(biāo)代入式 (15)得：
[0047] ei = PoH,e2 = a〇L+PoH,e3 = a〇L,e4 = 0
[0048] 因此，支腿上升的總行程為：
[0050] 調(diào)平時(shí)間由最低支腿2的位置誤差的大小決定：
[0051] T = e2/v= (aoL+βοΗ)/ν
[0052] 3)當(dāng)α〇>〇，β〇〈〇時(shí)，得到初始狀態(tài)支腿1最高，支腿3最低，將各支撐點(diǎn)坐標(biāo)代入式 (15)得：
[0053] ei = 0 ,e2 = a〇L,e3 = a〇L-0oH,e4=-0oH
[0054] 因此，支腿上升的總行程為：
[0056] 調(diào)平時(shí)間由最低支腿3的位置誤差e3大小決定：
[0057] T = e3/v= (a〇L-0oH)/v
[0058] 4)當(dāng)α〇〈〇，β〇〈〇時(shí)，得到初始狀態(tài)支腿2最高，支腿4最低，將各支撐點(diǎn)坐標(biāo)代入式 (15)得：
[0059 ] ei = -a〇L, e2 = 0, e3 = -β〇Η, Θ4 = -aoL-βοΗ
[0060]因此，支腿上升的總行程為：
[0062] 調(diào)平時(shí)間由最低支腿4的位置誤差e4大小決定：
[0063] T = e4/v= (-aoL-βοΗ)/ν；
[0064] 步驟2-3,通過(guò)偏差耦合同步控制算法，獲得更好的同步控制性能：
[0065] 四條支腿分為四條平行支路，每條支路包括依次連接的誤差補(bǔ)償器、加法器、控制 器和支腿，誤差補(bǔ)償器包括第一加法器、第一增益補(bǔ)償器、第二加法器、第二增益補(bǔ)償器和 第三加法器，第一加法器和第一增益補(bǔ)償器串聯(lián)為第一支路，第二加法器和第二增益補(bǔ)償 器串聯(lián)為第二支路，第一支路和第二支路并聯(lián)后與第三加法器串聯(lián)，每個(gè)液壓缸將輸出位 置反饋信號(hào)作為誤差補(bǔ)償器的輸入信號(hào)，支腿η的位置輸出分別與其余液壓缸位置輸出進(jìn) 行比較，隨后將各個(gè)通道的差值傳送到對(duì)應(yīng)的增益補(bǔ)償器，最后將各個(gè)補(bǔ)償值相加后作為 支腿η的誤差補(bǔ)償信號(hào)對(duì)支腿η進(jìn)行位置控制，從而實(shí)現(xiàn)支腿η與其他支腿間的協(xié)調(diào)同步運(yùn) 動(dòng);誤差補(bǔ)償器各通道中的補(bǔ)償增益K nj對(duì)各個(gè)通道間的參數(shù)差異進(jìn)行補(bǔ)償，從而消除控制 通道間的參數(shù)差異性對(duì)系統(tǒng)同步性能的影響;其中n、j均為支腿序號(hào)，j不為最高支腿序號(hào)， 且n, j = l~4, j乒 η;
[0066] 誤差控制變量21為各支腿自身的位置誤差與支腿間的位置同步誤差的線性組合， 即
[0068]步驟3,進(jìn)行垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的聯(lián)合仿真：
[0069] 具體如下：
[0070] 首先根據(jù)發(fā)射平臺(tái)實(shí)際工況，確定相關(guān)參數(shù);之后在AMESim和Simulink中進(jìn)行建 模仿真，具體步驟如下：
[0071] 步驟3-1，在AMESim中對(duì)四點(diǎn)支撐發(fā)射平臺(tái)進(jìn)行建模，包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)和液壓支腿的 建模；
[0072] 步驟3-2,在Simulink中對(duì)調(diào)平方法和控制算法進(jìn)行建模，為了方便對(duì)比仿真驗(yàn) 證，控制算法采用經(jīng)典PID控制和基于偏差耦合的PID控制進(jìn)行仿真；
[0073] 步驟3-3,進(jìn)行發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的AMESim和Simulink聯(lián)合仿真，獲取平臺(tái)調(diào) 平對(duì)比仿真結(jié)果。
[0074] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：
[0075] 1)本發(fā)明從同步運(yùn)動(dòng)控制角度出發(fā)，針對(duì)多液壓缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各通道間的耦合效 應(yīng)，以往采用主從同步和并行同步的經(jīng)典同步控制方法已不能滿足高精度同步的要求，故 嘗試將偏差耦合控制方法引入其中，弱化各通道間的耦合關(guān)系，以獲得較好的同步穩(wěn)定性。
[0076] 2)偏差耦合屬于耦合同步控制方法，目前運(yùn)用在多電機(jī)同步控制領(lǐng)域居多，將該 法運(yùn)用在實(shí)際多液壓缸同步系統(tǒng)中也是本發(fā)明的新穎之處。
[0077] 3)本發(fā)明將偏差耦合控制方法融入PID控制中形成新型的PID控制器，以克服傳統(tǒng) PID控制在處理多缸系統(tǒng)固有的耦合、非線性等特性的不足。
【附圖說(shuō)明】
[0078] 圖1為本發(fā)明的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)示意圖。
[0079] 圖2為本發(fā)明的非水平狀態(tài)下發(fā)射平臺(tái)簡(jiǎn)圖。
[0080] 圖3為本發(fā)明的偏差耦合控制原理圖。
[0081] 圖4為本發(fā)明的支腿1的第一誤差補(bǔ)償器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
[0082] 圖5為本發(fā)明的平臺(tái)傾角變化曲線圖(經(jīng)典PID控制下）。
[0083] 圖6為本發(fā)明的平臺(tái)各支腿位移變化曲線圖(經(jīng)典PID控制下）。
[0084] 圖7為本發(fā)明的平臺(tái)傾角變化曲線圖（基于偏差耦合的PID控制下）。
[0085] 圖8為本發(fā)明的平臺(tái)各支腿位移變化曲線圖（基于偏差耦合的PID控制下）。
[0086]圖9為本發(fā)明的方法流程圖。
[0087]圖10為本發(fā)明的發(fā)射平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0088] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0089] 結(jié)合圖1至圖4以及圖9和圖10,一種垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平的偏差耦合同步控制 方法，包括以下步驟：
[0090]步驟1，建立垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，具體如下：
[0091 ] 設(shè)OXqYqZq為水平坐標(biāo)系，保持靜止不動(dòng)，ΟΧιΥιΖι為非水平坐標(biāo)系，由水平坐標(biāo)系 ΟΧοΥοΖο經(jīng)過(guò)一系列旋轉(zhuǎn)得到，其旋轉(zhuǎn)變化示意圖如圖1所示。此處規(guī)定旋轉(zhuǎn)角方向滿足右手 螺旋定則，即大拇指指向旋轉(zhuǎn)軸的正方向，四指彎曲方向即為旋轉(zhuǎn)角的正方向。
[0092]根據(jù)坐標(biāo)系間坐標(biāo)變換理論，任意一個(gè)非水平狀態(tài)的坐標(biāo)系均由一個(gè)水平坐標(biāo)系 依次以X軸、Υ軸、Ζ軸為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)一定角度得到，而最終生成的坐標(biāo)系與原水平坐標(biāo)系間 的坐標(biāo)變換矩陣〗￡有如下關(guān)系式：
[0093] 1R-KKR,, (1)
[0094] 其中，Ra為坐標(biāo)系OXiZi到坐標(biāo)系ΟΧοΖο的二維坐標(biāo)變換矩陣，其值為
[0096]以Xo軸為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)β角度時(shí)的坐標(biāo)變換矩陣Re為
[0098]以Zo為軸轉(zhuǎn)過(guò)γ角度時(shí)的RY為
[0100]將對(duì)應(yīng)的矩陣值代入，得到
[0102] 假定此時(shí)發(fā)射平臺(tái)處于非水平狀態(tài)，平臺(tái)的簡(jiǎn)化模型如圖2所示，平臺(tái)X軸方向傾 角為α，Y軸方向傾角為β，ΟΧοΥοΖο為水平坐標(biāo)系，0ΧΛΖ!為平臺(tái)坐標(biāo)系（與平臺(tái)固聯(lián)）。設(shè)各支 腿在平臺(tái)坐標(biāo)系ΟΧιΥιΖι中的坐標(biāo)為 1Pi =(，Ay，)τ，在水平坐標(biāo)系OXqYqZo中的坐標(biāo) 為Vi = (QPix，QPiy，QPiz)τ，發(fā)射平臺(tái)的重心G在OXiYiZi坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為 1G = (kx，by，kz)τ， 在ΟΧοΥοΖο坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為QG = (QGX，QGy，QG Z)τ。
[0103] 從前面得知，式(5)為一般情況下非水平坐標(biāo)系與水平坐標(biāo)系間的變換矩陣，結(jié)合 發(fā)射平臺(tái)調(diào)平的實(shí)際情況，矩陣中的α和β分別對(duì)應(yīng)平臺(tái)的橫滾角和俯仰角，而由于四條支 撐腿一端與平臺(tái)剛性連接，另一端與地面接觸，其在Χ0Υ平面內(nèi)的平動(dòng)幾乎為零，因此平臺(tái) 繞Ζ軸的旋轉(zhuǎn)角γ小到忽略不計(jì)，即sin γ =0,cos γ =1。因此，式(5)簡(jiǎn)化為
[0105] 已知1G=(Gx，Gy，0)T，發(fā)射平臺(tái)四個(gè)支腿在平臺(tái)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為 1?:=(0,0， 0)\中2=〇^，0,0)7>3 = 〇^，0)7>4=(0，11，0)7，其中1^為發(fā)射平臺(tái)的長(zhǎng)，!1為發(fā)射平臺(tái)的 寬；
[0106] 由_卞=乂 A，％=>匕卜1,2,3,4)，得到水平坐標(biāo)系下的各點(diǎn)坐標(biāo)：
[0107] °Pi=(0,0,0)T (7)
[0108] °P2=(L cosa,〇,-L sina)T (8)
[0109] 0P3=(L cosa+H sinasinP，H cos0，_L sina+H cosasinP)1" (9)
[0110] °P4=(H sinasinP,H cosP,H cosasinP)T (10)
[0111] 0G=(Gx cosa+Gy sinasinP，Gy cos0，_Gx sina+Gy cosasinP)1" (11)
[0112] 即垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
[0113] 步驟2,通過(guò)基于偏差耦合的主動(dòng)同步姿態(tài)調(diào)平控制方法調(diào)節(jié)位置，具體如下：
[0114] 垂直發(fā)射平臺(tái)的姿態(tài)調(diào)平采用"追逐最高點(diǎn)"調(diào)平法。平臺(tái)經(jīng)過(guò)預(yù)支承后，一般處 于非水平狀態(tài)，此時(shí)必有一個(gè)最高支撐點(diǎn)，調(diào)平時(shí)保持最高點(diǎn)不動(dòng)，其余支撐點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)與 之看齊，最終和最高點(diǎn)平齊即處于水平狀態(tài)。具體實(shí)施步驟如下：
[0115] 所述垂直發(fā)射平臺(tái)的每條支腿均對(duì)應(yīng)一個(gè)單出桿液壓缸；
[0116] 步驟2-1，判斷最高支撐腿
[0117] 圖2所示的發(fā)射平臺(tái)處于非水平狀態(tài)，支腿1為坐標(biāo)系原點(diǎn)，傾角α和β的正負(fù)由右 手螺旋法則判定，圖示為α〈0，β>0，此時(shí)支腿3最高，支腿1最低；
[0118] 步驟2-2,計(jì)算高度差
[0119]由于平臺(tái)傾角為小角度，為了方便計(jì)算，近似有cosa = cosP=l，sina = a，sinP = β;于是0簡(jiǎn)化成
[0123] 得到各支撐點(diǎn)在水平坐標(biāo)系中Z方向上的坐標(biāo)為
[0124] °Piz = -a1Pix+e1Piy (14)
[0125] 由于平臺(tái)調(diào)平前是預(yù)支承狀態(tài)，初始傾角為αο,βο;代入式（14)得到一個(gè)最高支撐 點(diǎn)，設(shè)最高點(diǎn)由此得到任意時(shí)刻各支撐點(diǎn)的位置誤差為：
[0126] e i = °Phz-°Piz = -a〇 (^hx-^ix) +β〇 (^hy^iy) (15)
[0127] 以α〇〈0，β〇>0為例，得到初始狀態(tài)支腿3最高，支腿1最低，將各支撐點(diǎn)坐標(biāo)代入上式 得：
[0128] ei = -aoL+βοΗ, Θ2 = β〇Η, e3 = 0, e4=-a〇L (16)
[0129] 因此，支腿上升的總行程為：
[0131 ]調(diào)平時(shí)間由最低支腿1的位置誤差大小決定：
[0132] T = ei/v= (-aoL+βοΗ)/v (18)
[0133] 其中T為調(diào)平時(shí)間（s)，vS液壓缸的上升速度(m/s)。
[0134] 其他三種情況如下：
[0135] 當(dāng)α〇>〇，β〇>〇時(shí)，得到初始狀態(tài)支腿4最高，支腿2最低，將各支撐點(diǎn)坐標(biāo)代入式(15) 得：
[0136] ei = PoH,e2 = a〇L+PoH,e3 = a〇L,e4 = 0
[0137] 因此，支腿上升的總行程為：
[0139]調(diào)平時(shí)間由最低支腿2的位置誤差的大小決定：
[0140] T = e2/v= (a〇L+PoH)/v
[0141] 當(dāng)α〇>〇，β〇〈〇時(shí)，得到初始狀態(tài)支腿1最高，支腿3最低，將各支撐點(diǎn)坐標(biāo)代入式(15) 得：
[0142] ei = 0 ,e2 = a〇L,e3 = a〇L-0oH,e4=-0oH
[0143] 因此，支腿上升的總行程為：
[0145] 調(diào)平時(shí)間由最低支腿3的位置誤差e3大小決定：
[0146] T = e3/v= (a〇L-0oH)/v
[0147] 當(dāng)α〇〈〇，β〇〈〇時(shí)，得到初始狀態(tài)支腿2最高，支腿4最低，將各支撐點(diǎn)坐標(biāo)代入式（15) 得：
[0148] ei = -a〇L, e2 = 0, e3 = -β〇Η, Θ4 = -aoL-βοΗ
[0149] 因此，支腿上升的總行程為：
[0151] 調(diào)平時(shí)間由最低支腿4的位置誤差e4大小決定：
[0152] T = e4/v= (-aoL-βοΗ)/ν〇
[0153] 步驟2-3,通過(guò)偏差耦合同步控制算法，獲得更好的同步控制性能：
[0154] 對(duì)于多液壓缸同步控制系統(tǒng)，引入偏差耦合同步控制方法能夠獲得較好的同步穩(wěn) 定性。該法的核心思想是，將每一個(gè)子通道的輸出都與其他通道的輸出進(jìn)行比較，所得的偏 差乘以相應(yīng)的增益系數(shù)后再相加作為該通道的誤差補(bǔ)償信號(hào)。具體的控制原理如圖3所示。 對(duì)于所要討論的四點(diǎn)支撐發(fā)射平臺(tái)（假設(shè)支腿3最高即 Xd = X3)，該控制方法的特殊性在于采 用誤差補(bǔ)償器對(duì)多缸同步誤差進(jìn)行前饋補(bǔ)償控制，通過(guò)誤差補(bǔ)償器將各支腿與其余支腿 (除最高支腿)的位置輸出作差并線性組合后作為該支腿的同步誤差補(bǔ)償信號(hào)，再加上各支 腿自身的位置誤差，經(jīng)過(guò)線性處理后對(duì)控制器發(fā)出控制信號(hào)，從而使同步誤差減小直至為 〇,最終達(dá)到同步運(yùn)動(dòng)的目的。以支腿1為例，其誤差補(bǔ)償器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。
[0155] 由圖4看出，誤差補(bǔ)償器綜合體現(xiàn)了所有待調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)行狀態(tài)，即每個(gè)液壓缸 將輸出位置反饋信號(hào)作為誤差補(bǔ)償器的輸入信號(hào)，支腿1的位置輸出分別與其余液壓缸位 置輸出進(jìn)行比較，隨后將各個(gè)通道的差值傳送到對(duì)應(yīng)的增益補(bǔ)償器，最后將各個(gè)補(bǔ)償值相 加后作為支腿1的誤差補(bǔ)償信號(hào)對(duì)支腿1進(jìn)行位置控制，從而實(shí)現(xiàn)支腿1與其他支腿間的協(xié) 調(diào)同步運(yùn)動(dòng)。誤差補(bǔ)償器各通道中的補(bǔ)償增益對(duì)各個(gè)通道間的參數(shù)差異進(jìn)行補(bǔ)償，從而 消除控制通道間的參數(shù)差異性對(duì)系統(tǒng)同步性能的影響；其中j為支腿序號(hào)，j不為最高支腿 序號(hào)，且j = 2~4, j乒3。
[0156] 誤差控制變量21為各支腿自身的位置誤差與支腿間的位置同步誤差的線性組合， 即
[0158]步驟3,進(jìn)行垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，具體如下：
[0159]根據(jù)發(fā)射平臺(tái)實(shí)際工況，具體參數(shù)設(shè)置如下：
[0160]初始傾角α〇 = -〇·88°，β〇= 1 ·92° ;發(fā)射平臺(tái)尺寸為L(zhǎng)XH= 10605mmX2800mm。
[0161 ]由α〈〇，β>〇得知，支腿3最高，支腿2次高，支腿4次低，支腿1最低。
[0162] 由式（15)，各支撐點(diǎn)i與最高點(diǎn)h間的初始位置誤差分別為：ei = | α〇 | L+βοΗ = 254.28mm，e2 = i5()H=95 · 20mm，e3 = 0，e4= I α〇 I L = 159 · 08mm
[0163] 經(jīng)典PID控制:選取PID參數(shù)為kP = 220，ki = 0，kd= 10，仿真運(yùn)行時(shí)間為10s;基于偏 差耦合的PID控制:選取PID參數(shù)為1^ = 220，匕=0，1^ = 0，仿真運(yùn)行時(shí)間為58。
[0164] 建模仿真過(guò)程在AMESim和Simulink中進(jìn)行，具體步驟如下：
[0165] 步驟3-1，在AMESim中對(duì)四點(diǎn)支撐發(fā)射平臺(tái)進(jìn)行建模，包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)和液壓支腿的 建模；
[0166] 步驟3-2,在Simulink中對(duì)調(diào)平方法和控制算法進(jìn)行建模，為了方便對(duì)比仿真驗(yàn) 證，控制算法采用經(jīng)典PID控制和基于偏差耦合的PID控制進(jìn)行仿真；
[0167] 步驟3-3,進(jìn)行發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的AMESim和Simulink聯(lián)合仿真，獲取平臺(tái)調(diào) 平對(duì)比仿真結(jié)果。
[0168] 說(shuō)明書(shū)附圖中圖5和圖6是經(jīng)典PID控制下，發(fā)射平臺(tái)傾角變化曲線圖和各支腿位 移變化曲線圖。由圖得知，發(fā)射平臺(tái)的調(diào)平精度為±(0.7X10- 3)°即±2.52〃，調(diào)平時(shí)間為 6.5s〇
[0169] 說(shuō)明書(shū)附圖中圖7和圖8是基于偏差耦合的PID控制下，發(fā)射平臺(tái)傾角變化曲線圖 和各支腿位移變化曲線圖。由圖得知，發(fā)射平臺(tái)的調(diào)平精度為±(0.3X10- 4)°即±0.108〃， 調(diào)平時(shí)間為4.5s。
[0170] 由此易見(jiàn)，將偏差耦合控制方法融入PID控制器中，能夠?qū)崿F(xiàn)多液壓缸的同步運(yùn) 動(dòng)，提高調(diào)平精度，減少調(diào)平時(shí)間。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平的偏差禪合同步控制方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟1，建立垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型； 步驟2,通過(guò)基于偏差禪合的主動(dòng)同步姿態(tài)調(diào)平控制方法調(diào)節(jié)位置； 步驟3,進(jìn)行垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平的偏差禪合同步控制方法，其特征在 于，步驟1所述建立垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，具體如下： 根據(jù)坐標(biāo)系間坐標(biāo)變換理論，任意一個(gè)非水平狀態(tài)的坐標(biāo)系均由一個(gè)水平坐標(biāo)系依次 WX軸、Y軸、Z軸為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)一定角度得到，而最終生成的坐標(biāo)系與原水平坐標(biāo)系間的坐 標(biāo)變換矩陣托有如下關(guān)系式：其中，α、β和γ分別為發(fā)射平臺(tái)X軸、Y軸、Z軸方向的傾角，Ra為坐標(biāo)系OXiZi到坐標(biāo)系 ΟΧοΖο的二維坐標(biāo)變換矩陣，Re為坐標(biāo)系OYiZi到坐標(biāo)系ΟΥοΖο的二維坐標(biāo)變換矩陣，Κγ為坐標(biāo) 系OXiYi到坐標(biāo)系ΟΧοΥο的二維坐標(biāo)變換矩陣； 設(shè)各支腿在平臺(tái)坐標(biāo)系OXiYiZi中的坐標(biāo)為iPi = (iPix，iPiy，iPiz )τ，在水平坐標(biāo)系ΟΧοΥοΖο 中的坐標(biāo)為咕1=(咕1、，中巧，中。八發(fā)射平臺(tái)的重屯、6在0乂詩(shī)121坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為吃=(也， 也，iGz) T，在ΟΧοΥοΖο坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為％ =(也，吃y，吃Z) T; 結(jié)合發(fā)射平臺(tái)調(diào)平的實(shí)際情況，式巧)簡(jiǎn)化為樹(shù) 已知lG=(Gx，Gy，0)τ，發(fā)射平臺(tái)四個(gè)支腿在平臺(tái)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為lPl = (0,0,0)τ， 中2=化，0,0)τ，?ρ3=化，H，0)τ，lp4=(0，H，0)τ，其中L為發(fā)射平臺(tái)的長(zhǎng)，H為發(fā)射平臺(tái)的寬； 由If，"(,'='1'化.它(仁1,2,3,4):.得到水平坐標(biāo)系下的各點(diǎn)坐標(biāo)：即垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平的偏差禪合同步控制方法，其特征在 于，步驟2所述通過(guò)基于偏差禪合的主動(dòng)同步姿態(tài)調(diào)平控制方法調(diào)節(jié)位置，具體如下： 所述垂直發(fā)射平臺(tái)的每條支腿均對(duì)應(yīng)一個(gè)單出桿液壓缸； 步驟2-1，判斷最高支撐腿 當(dāng)發(fā)射平臺(tái)處于非水平狀態(tài)時(shí)，支腿1為坐標(biāo)系原點(diǎn)，傾角α和0的正負(fù)由右手螺旋法則 判定，其中α和β分別對(duì)應(yīng)平臺(tái)的橫滾角和俯仰角； 步驟2-2,計(jì)算高度差 由于平臺(tái)傾角為小角度，為了方便計(jì)算，近似有。〇3〇 = (；〇30=1，31]1〇 = 〇,31扯=0;于 是掉簡(jiǎn)化成得到各支撐點(diǎn)在水平坐標(biāo)系中Ζ方向上的坐標(biāo)為Viz Viz = -aiPix+0iPiy (14) 由于平臺(tái)調(diào)平前是預(yù)支承狀態(tài)，初始傾角為α〇，β〇;代入式（14)得到一個(gè)最高支撐點(diǎn)，設(shè) 最高點(diǎn)i=h，中1Ζ《中hz;由此得到任意時(shí)刻各支撐點(diǎn)的位置誤差ei為：;) 1) 當(dāng)α〇<0，β〇〉0時(shí)，得到初始狀態(tài)支腿3最高，支腿1最低，將各支撐點(diǎn)坐標(biāo)代入式（15) 得：因此，支腿上升的總行程D為：件巧 調(diào)平時(shí)間由最低支腿1的位置誤差ei大小決定： T = ei/v= (-α〇1+β〇Η)/ν (18) 其中Τ為調(diào)平時(shí)間，V為液壓缸的上升速度； 2) 當(dāng)α〇〉〇，β〇〉〇時(shí)，得到初始狀態(tài)支腿4最高，支腿2最低，將各支撐點(diǎn)坐標(biāo)代入式（15) 得：調(diào)平時(shí)間由最低支腿2的位置誤差Θ2大小決定： Τ = θ2/ν= (α〇1+β〇Η)/ν 3) 當(dāng)α〇〉〇，β〇<〇時(shí)，得到初始狀態(tài)支腿1最高，支腿3最低，將各支撐點(diǎn)坐標(biāo)代入式（15) 得： ei = 0, Θ2 = a〇L, Θ3 = a〇L-0oH, Θ4 = -β〇Η 因此，支腿上升的總行程為：調(diào)平時(shí)間由最低支腿3的位置誤差Θ3大小決定： Τ = θ3/ν= (α〇1-β〇Η)/ν 4)當(dāng)α〇<〇，β〇<〇時(shí)，得到初始狀態(tài)支腿2最高，支腿4最低，將各支撐點(diǎn)坐標(biāo)代入式（15) 得： ei = -a〇L, Θ2 = 0, Θ3 = -β〇Η, 64=-a〇L-0oH 因此，支腿上升的總行程為：調(diào)平時(shí)間由最低支腿4的位置誤差Θ4大小決定： Τ = θ4/ν=(-曰 oL-β〇Η)/ν; 步驟2-3，通過(guò)偏差禪合同步控制算法，獲得更好的同步控制性能： 四條支腿分為四條平行支路，每條支路包括依次連接的誤差補(bǔ)償器、加法器、控制器和 支腿，誤差補(bǔ)償器包括第一加法器、第一增益補(bǔ)償器、第二加法器、第二增益補(bǔ)償器和第Ξ 加法器，第一加法器和第一增益補(bǔ)償器串聯(lián)為第一支路，第二加法器和第二增益補(bǔ)償器串 聯(lián)為第二支路，第一支路和第二支路并聯(lián)后與第Ξ加法器串聯(lián)，每個(gè)液壓缸將輸出位置反 饋信號(hào)作為誤差補(bǔ)償器的輸入信號(hào)，支腿η的位置輸出分別與其余液壓缸位置輸出進(jìn)行比 較，隨后將各個(gè)通道的差值傳送到對(duì)應(yīng)的增益補(bǔ)償器，最后將各個(gè)補(bǔ)償值相加后作為支腿η 的誤差補(bǔ)償信號(hào)對(duì)支腿η進(jìn)行位置控制，從而實(shí)現(xiàn)支腿η與其他支腿間的協(xié)調(diào)同步運(yùn)動(dòng)；誤 差補(bǔ)償器各通道中的補(bǔ)償增益Κη苗f各個(gè)通道間的參數(shù)差異進(jìn)行補(bǔ)償，從而消除控制通道間 的參數(shù)差異性對(duì)系統(tǒng)同步性能的影響；其中η、j均為支腿序號(hào)，j不為最高支腿序號(hào)，且η, j =1~4,護(hù)η; 誤差控制變量Zi為各支腿自身的位置誤差與支腿間的位置同步誤差的線性組合，即4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平的偏差禪合同步控制方法，其特征在 于，步驟3所述進(jìn)行垂直發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，具體如下： 首先根據(jù)發(fā)射平臺(tái)實(shí)際工況，確定相關(guān)參數(shù);之后在AMESim和Simulink中進(jìn)行建模仿 真，具體步驟如下： 步驟3-1，在AMESim中對(duì)四點(diǎn)支撐發(fā)射平臺(tái)進(jìn)行建模，包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)和液壓支腿的建 模； 步驟3-2,在Simulink中對(duì)調(diào)平方法和控制算法進(jìn)行建模，為了方便對(duì)比仿真驗(yàn)證，控 制算法采用經(jīng)典PID控制和基于偏差禪合的PID控制進(jìn)行仿真； 步驟3-3,進(jìn)行發(fā)射平臺(tái)姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的AMESim和Simulink聯(lián)合仿真，獲取平臺(tái)調(diào)平對(duì) 比仿真結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G05D3/12GK106094881SQ201610431647
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月16日
【發(fā)明人】仇楊, 胡健, 劉春青, 馬吳寧, 劉雷
【申請(qǐng)人】南京理工大學(xué)