基于無模控制的深海集礦機車體姿態與集礦頭高度去耦控制

摘 要:在深海集礦機作業過程中，是通過液壓系統驅動的集礦裝置來采集多金屬結核的#65377;針對集礦機車體姿態與集礦頭高度之間的耦合，研究集礦頭高度在行走中受車體姿態的影響，分析集礦頭高度和車體姿態之間的耦合機理#65377;并根據耦合對象的特性，進行去耦優化，仿真結果表明該去耦優化算法能補償液壓系統滯后特性，獨立進行集礦頭高度最優調節，達到最佳集礦效率，提高行走穩定性#65377;

關鍵詞:集礦頭;高度;車體姿態;去耦;無模控制

中圖分類號:TP273.3文獻標識碼:A

1 引 言

在集礦過程中，集礦頭的高度對集礦效率乃至整個集礦機系統正常工作都有著重要的影響#65377;而集礦頭高度和集礦機車體姿態之間存在著較強耦合#65377;集礦頭安裝在集礦機上^[1]，集礦機車體姿態會直接影響到集礦頭高度#65377;反之，集礦頭高度變化又會反過來影響集礦機的車體姿態#65377;集礦頭高度影響集礦機行走過程，集礦頭重量在整個集礦系統中占有相當的比例#65377;若集礦頭過高，勢必影響整個集礦機的重心，使集礦機重心發生偏移，改變集礦機深海行使阻力及履帶-沉積物作用特性，造成集礦機的過度傾斜，從而影響集礦機的行走穩定性乃至整個集礦機的正常工作;過低，則會吹起大量海底沉積物，使集礦頭陷入海底淤泥之中，產生推土效應，不僅不能有效的采集金屬礦結核，而且還會破壞海底環境#65377;

集礦頭高度是通過液壓驅動來進行調節的，調節頻率不宜太高#65377;首先，液壓系統具有明顯的滯后性，調節時如何與其滯后性相匹配，是一個難以解決的問題#65377;其次，集礦頭高度與集礦機車體姿態之間的耦合關系十分復雜#65377;綜上可知，集礦頭高度和集礦機車體姿態之間的耦合模型很難建立#65377;目前，在集礦機系統中，集礦機車體姿態是不可控制的，因此，本文采用無模控制算法來研究集礦頭高度和集礦機車體姿態去耦的控制技術，使其液壓系統滯后性相匹配，達到最佳的集礦效率，提高行走穩定性#65377;

2 無模控制算法

無模控制是為辨識和控制動態系統而提出的，它不需要被控系統的精確數學模型，只需要輸入輸出測量數據^[2-4]#65377;

對于未知被控系統，若只知道系統的輸入輸出信息，則離散時間動態系統可表示為:

其中f(·)可為非線性多輸入多輸出時變函數#65377;無模控制就是利用已知的輸入輸出信息使估計輸出(k+1)與實際輸出y(k+1)之間的誤差盡可能小#65377;

計算技術與自動化2007年6月第26卷第2期王隨平等:基于無模控制的深海集礦機車體姿態與集礦頭高度去耦控制在本系統中，相關的控制參數有:①集礦頭高度h，要使集礦頭能正常集礦，范圍為70～200mm;②航向角α:表示集礦機運動的方向，范圍為0o～360o;③俯仰角β:表示集礦機車體前后傾斜的程度，范圍為-180°～180°;④傾斜角γ:表示集礦機車體左右傾斜的程度，范圍為-180°～180°#65377;目前只有第一個參數是可以調節的，后面的三個參數都是只可測量而不可控制的#65377;對集礦頭高度有:

將后向差分算子(3)代入系統(2)可得:

方程(4)可用泰勒級數展開如下:

根據所測得的數據，可得到如下:

N是無模控制模型的階次，n則由用于辨識參數的數目決定#65377;由式(6)和式(9)，可辨識出無模控制模型的參數，根據這個模型就可設計控制器#65377;

3 狀態空間辨識法

根據無模控制模型可以采用常規方法來設計控制器#65377;我們采用LQR方法來設計控制器，稱為基于最優控制的無模控制器#65377;首先，引入線性變換把無模控制模型轉換成線性狀態空間模型#65377;空間變量定義如下:

無模控制模型轉換成線性狀態空間形式如下:

由于輸入輸出對(u(k))，y(k))和(u(k)，y(k))有相同的傳遞函數，根據無模控制模型(11)的結果(A，B，C)可以u(k)設計控制器#65377;

本文中，采用LQR法來設計控制器#65377;二次線性調節法LQR就是要設計最佳控制律，從而使系統從初始狀態到最終狀態性能達到要求#65377;性能要求如下:

J=∑∞k=0(xT(k)Q(k)x(k)

+uT(k)R(k)u(k))，

其中，Q(k)為負半定矩陣，R(k)為負定矩陣#65377;

4 仿真結果

采用基于無模控制的集礦頭高度與集礦機車體姿態去耦控制算法后，設定高度與實際高度的仿真結果如圖1所示#65377;

其中，采樣時間T為50ms，控制周期為500ms#65377;由圖1可看出，在前5s內，需要通過輸入輸出量來辨識參數，僅采用集礦頭高度控制，實際高度和設定高度之間存在著一定的誤差，而在5s以后采用去耦控制算法后消除了集礦機車體姿態對集礦頭高度的耦合影響，同時也在一定程度上消除了液壓系統的大滯后性，使實際高度能夠較好的跟隨設定高度的變化#65377;

5 結束語

本文通過對集礦頭和集礦機車體姿態參數分析，設計了基于無模控制的去耦控制器，仿真結果表明，采用該算法消除了集礦機車體姿態對集礦頭高度的影響，可以與液壓系統滯后性相匹配，使集礦頭達到最佳的集礦效率，使集礦機行走穩定#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。