摘    要：为了提高舰载垂直装填机械系统的自动化程度并具备海上装填能力，设计一个防摇控制器能够实现在装填过程中抑制吊重的摇摆，达到防摇的目的．将舰载垂直装填机械系统看作一类特殊的机器人机械手系统，并考虑其海上作业时的工作环境，利用机器人动力学原理建立其动基座条件下的动力学模型．针对模型的复杂、强非线性、欠驱动、具有时变参数等特点，建立了一个降阶模型以方便控制器的设计，采用取特征点构造变参数滑模函数的双层滑模变结构控制方法对防摇控制器进行设计：仿真研究表明，所设计的分层滑模变结构控制器各层滑模面都能达到稳定，并在防摇控制器的控制下，回转角能够跟踪所设计的轨迹的同时能有效地抑制吊重的摆角，达到防摇的目的．

关键词：舰栽垂直装填机械；机器人动力学原理；滑模控制；防摇控制；仿真

中图分类号：tp 27    文献标识码：a

  舰载垂直装填机械是舰载垂直发射系统的一种多关节、可伸缩折叠式特种起重机，用于舰载武器的装填作业。由于海浪作用以及吊重与装填机械臂末端是通过柔性钢缆连接，不可避免地会产生摆动。这种摆动对装填的工作效率和作业安全都会产生很大的危害，直接影响装填的快速性，因此如何消除武器在装填过程中的摆动是提高武器装填效率，实现海上补给从而提高部队战斗力的关键技术之一。

    对于起重机的防摆控制技术国内外已有许多学者做过研究。如文献[1]采用输入脉冲控制器来消除桥式吊车负载摆动；文献[2]采用滑模变结构控制实现了桥式吊车在小车和绳长定位的同时，消除负载摆动的控制；文献[3]呆用自抗扰控制器对桥式吊车系统进行定位和防摆控制，取得了良好的动态，静态特性等。由于舰载垂直装填机械的特殊机构及在海上作业时会受到海上风浪的影响，因此加大了其防摆控制的难度。

  本文根据舰载垂直装填机械防摆的特殊要求，提出了采用双层滑模变结构控制实现吊重摆振消除的控制策略。

  通过对舰载垂直装填机械的结构进行分析，可以发现它与多关节刚性机械手结构类似，而机器人动力学建模原理是解决机械手系统的动力学建模的很好的方法。

    因此，可应用机器人动力学建模的相关原理，将舰载垂直装填机械表示成机械手模型，如图1所示：

   

    图中，杆件l为虚拟杆件，即将舰船本身看成是从舰船横摇摇心（只考虑横摇作用）到装填机机座的虚拟杆，并假设该杆件的一端即横摇摇心是固定于一个确定的刚性机座上，可绕横摇轴转动，关节变量为θ1，即横摇角；杆件2为装填机回转臂，关节变量为θ2平台回转角度；杆件3为起重臂，关节变量民为吊臂的俯仰角度θ3杆件5为悬吊钢缆和吊重；由于吊重自由地悬吊于臂架的吊顶，为描述吊重的空间运动，引入一个质量和长度均为零的虚拟秆件，利用与之相连的虚拟关节的关节变量θ4，θ5及悬吊钢缆的长度描述吊重相对于吊顶的空间位置。各杆件均只有一个自由度，杆件间通过回转关节连接，为简化分析，假定各杆件仅在其质心处具有集中质量，并视各杆件为刚性。

  考虑到用θ4描述吊重摆振不很直观，故采用图1(b)中的摆角妒代之，其中，φ =θ3+θ4- π/2是钢缆在起升平面上的投影与铅垂线的夹角；θ5为钢缆与起升平面的夹角。设lb为吊臂的长度，lr为吊重质心到吊顶的距离，h为回转臂的高度，（ex，ey，ez）力基座质心在舰船横摇中心坐标系中的坐标，re3为吊顶到吊臂质心的距离。

  运用牛顿一欧拉法递推公式【6】建立舰载垂直装填机械的动力学模型，并通过优化处理最终得到舰载垂直装填机械吊重摆振系统的动力学模型为

     

    方程组(1)是一组非常复杂的多变量、强耦合、强非线性的二阶微分方程组，它能够较为准确地反映舰载垂直装填机械进行回转运动时吊重的运动状态