摘 要:在深海集礦機作業(yè)過程中，是通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動的集礦裝置來采集多金屬結(jié)核的#65377;針對集礦機車體姿態(tài)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(tài)的影響，分析集礦頭高度和車體姿態(tài)之間的耦合機理#65377;并根據(jù)耦合對象的特性，進行去耦優(yōu)化，仿真結(jié)果表明該去耦優(yōu)化算法能補償液壓系統(tǒng)滯后特性，獨立進行集礦頭高度最優(yōu)調(diào)節(jié)，達到最佳集礦效率，提高行走穩(wěn)定性#65377;

關(guān)鍵詞:集礦頭;高度;車體姿態(tài);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(tǒng)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(tài)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(tài)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(tài)#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(tǒng)中占有相當?shù)谋壤?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(fā)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(wěn)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(chǎn)生推土效應，不僅不能有效的采集金屬礦結(jié)核，而且還會破壞海底環(huán)境#65377;

集礦頭高度是通過液壓驅(qū)動來進行調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)頻率不宜太高#65377;首先，液壓系統(tǒng)具有明顯的滯后性，調(diào)節(jié)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(tài)之間的耦合關(guān)系十分復雜#65377;綜上可知，集礦頭高度和集礦機車體姿態(tài)之間的耦合模型很難建立#65377;目前，在集礦機系統(tǒng)中，集礦機車體姿態(tài)是不可控制的，因此，本文采用無?？刂扑惴▉硌芯考V頭高度和集礦機車體姿態(tài)去耦的控制技術(shù)，使其液壓系統(tǒng)滯后性相匹配，達到最佳的集礦效率，提高行走穩(wěn)定性#65377;

2 無模控制算法

無?？刂剖菫楸孀R和控制動態(tài)系統(tǒng)而提出的，它不需要被控系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，只需要輸入輸出測量數(shù)據(jù)^[2-4]#65377;

對于未知被控系統(tǒng)，若只知道系統(tǒng)的輸入輸出信息，則離散時間動態(tài)系統(tǒng)可表示為:

其中f(·)可為非線性多輸入多輸出時變函數(shù)#65377;無?？刂凭褪抢靡阎妮斎胼敵鲂畔⑹构烙嬢敵?k+1)與實際輸出y(k+1)之間的誤差盡可能小#65377;

計算技術(shù)與自動化2007年6月第26卷第2期王隨平等:基于無?？刂频纳詈＜V機車體姿態(tài)與集礦頭高度去耦控制在本系統(tǒng)中，相關(guān)的控制參數(shù)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(shù)是可以調(diào)節(jié)的，后面的三個參數(shù)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(tǒng)(2)可得:

方程(4)可用泰勒級數(shù)展開如下:

根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)，可得到如下:

N是無?？刂颇Ｐ偷碾A次，n則由用于辨識參數(shù)的數(shù)目決定#65377;由式(6)和式(9)，可辨識出無?？刂颇Ｐ偷膮?shù)，根據(jù)這個模型就可設(shè)計控制器#65377;

3 狀態(tài)空間辨識法

根據(jù)無?？刂颇Ｐ涂梢圆捎贸Ｒ?guī)方法來設(shè)計控制器#65377;我們采用LQR方法來設(shè)計控制器，稱為基于最優(yōu)控制的無?？刂破?65377;首先，引入線性變換把無?？刂颇Ｐ娃D(zhuǎn)換成線性狀態(tài)空間模型#65377;空間變量定義如下:

無模控制模型轉(zhuǎn)換成線性狀態(tài)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(shù)，根據(jù)無模控制模型(11)的結(jié)果(A，B，C)可以u(k)設(shè)計控制器#65377;

本文中，采用LQR法來設(shè)計控制器#65377;二次線性調(diào)節(jié)法LQR就是要設(shè)計最佳控制律，從而使系統(tǒng)從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)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(jié)果

采用基于無?？刂频募V頭高度與集礦機車體姿態(tài)去耦控制算法后，設(shè)定高度與實際高度的仿真結(jié)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(nèi)，需要通過輸入輸出量來辨識參數(shù)，僅采用集礦頭高度控制，實際高度和設(shè)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(tài)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(tǒng)的大滯后性，使實際高度能夠較好的跟隨設(shè)定高度的變化#65377;

5 結(jié)束語

本文通過對集礦頭和集礦機車體姿態(tài)參數(shù)分析，設(shè)計了基于無?？刂频娜ヱ羁刂破鳎抡娼Y(jié)果表明，采用該算法消除了集礦機車體姿態(tài)對集礦頭高度的影響，可以與液壓系統(tǒng)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(wěn)定#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。