基于趋近律滑模控制的气浮十字梁实验系统复合控制研究_

摘要：文章推导了具有双执行机构的十字梁实验系统三自由度运动动力学方程，设计了一个基于趋近律的滑模变结构控制器，对纵向运动模型进行了数学仿真，为深入探讨气动—质量矩复合控制奠定了基础。
关键词：复合控制；共栖；十字梁；趋近律
气浮十字梁实验系统（简称十字梁系统）作为一个实验平台，可以对各种经典的和现代的控制方法进行验证。早在20世纪50年代中期，美国就开始对十字梁系统进行研究.梁实验系统气动—质量矩复合控制的动力学模型，设计了一个基于趋近律的滑模变结构控制器，并进行数学仿真和实物实验研究，对共栖效应现象进行了实验研究。
质量矩控制又被称为变质心控制或动量矩控制。质量矩控制在宇航飞行器、再入飞行器、KKV、导弹等中都有研究及应用。对质量控制最初的探
索研究是由美国的Regan和Kavetsky等人开始的，他们设计出一种简单的质量控制器，能够在接近目标时对弹道做适度的修正以提高最终的制导精度。它通过移动弹体内部活动质量块，改变弹道导弹的质心，利用气动配平力矩或弹体惯量主轴的偏移改变导弹飞行姿态，从而实现导弹机动控制。气动控制是指飞行器本身利用自身携带的气源或由燃料燃烧或分解产生的高压气体经喷气发动机（推力器）向飞行器体外喷射出去，产生反作用力和反作用力矩，从而控制飞行器姿态的一种控制方法。气动控制系统一般由若干个喷嘴组成，分别安装在飞行器的翼端和飞行器前部或后部，实施对飞行器的俯仰、偏航和滚动进行控制。
该系统由一对长度为2.5 m的I字型金属梁构成，两金属梁的结合处在它们的中心点，并且互相垂直。通过对梁体的质量进行适当的分配，使其重心位于球轴承上方。梁体是通过一个万向球轴承连接在中心支架上，整个梁体和球轴承用空压机压缩的空气通过玻璃钢制作的球窝喷出而浮起，通过气浮的作用大大减小了梁体所受的摩擦力，使得十字梁系统能够模拟飞行器在空中的姿态控制。
十字梁系统的工作原理为：空气压缩机工作，为气浮轴承和电磁阀供气；陀螺仪和加速度计测量得到梁体的姿态角信号；计算机系统通过采集卡采集到陀螺仪和加速度计测量的角度信号后，控制电磁阀喷气和直线电机运动，从而控制梁体偏转，减小姿态角偏差。
建立十字梁运动方程时，为简化分析，本文在建模时假设直线电机的移动不影响系统的转动惯量。十字梁系统是饱和非线性的系统，根据文献
采用小扰动假设，建立十字梁实验系统数学模型，分析时考虑到支架与梁体的摩擦力及梁体运动时空气对它的阻力。加速度计一般用来测量物体的加速度，但在一定的条件下，它也可以用来测量物体绕某一轴的转角。
采用单独气动控制，系统可以稳定地跟踪5.5°的阶跃信号，而跟踪6°阶跃信号时系统发散了，说明采用单独气动基于趋近律的滑模控制稳定工作范围为5.5°；采用单独质量矩控制，系统可以稳定地跟踪10°的阶跃信号，而跟踪10.5°阶跃信号时系统发散了，说明采用单独质量矩基于趋近律的滑模控制稳定工作范围为10°；采用气动—质量矩复合控制，系统可以稳定跟踪15.5°的阶跃信号，而跟踪16°阶跃信号时系统发散了，说明采用气动—质量矩复合基于趋近律的滑模变结构控制可以跟踪15.5°的阶跃信号。
将十字梁的参数分别向上和向下摄动30%，采用气动—质量矩复合控制跟踪12°的阶跃信号，相应仿真结果。数学仿真表明十字梁参数向上和向下摄动30%时，系统依然能够准确跟踪期望信号，说明设计的控制器具有比较强的鲁棒性。
推导了十字梁实验系统三自由度运动、动力学方程，并设计了基于趋近律的滑模变结构控制器，最后分别进行了气动控制、质量矩控制、气动—质量矩复合控制的数学仿真研究。由仿真结果可看出本文提出的方法设计简单，跟踪速度快，动态性能良好，能有效地消除误差，具有比较强的鲁棒性，为深入探讨气动—质量矩复合控制奠定了基础。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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