基于模糊控制的火箭伺服系統(tǒng)頻域控制設(shè)計方法

錢昌年 傅俊勇

上海航天控制技術(shù)研究所，上海200233

火箭伺服系統(tǒng)是火箭推力矢量控制系統(tǒng)的執(zhí)行端，根據(jù)箭載計算機的控制指令改變發(fā)動機擺角，對火箭姿態(tài)進行調(diào)整。某新型大推力火箭發(fā)動機柔度大、諧振頻率低，作為火箭伺服系統(tǒng)的負載，其諧振特性給伺服系統(tǒng)控制算法的設(shè)計帶來了困難。具有低機械諧振頻率的系統(tǒng)，工程中常使用陷波濾波器進行校正［1－2］，陷波濾波器在指定的頻帶產(chǎn)生幅值凹谷，從而抵消機械諧振。文獻［3］針對某型號火箭伺服系統(tǒng)的低頻諧振和2個諧振點問題設(shè)計了雙陷波控制算法，消除了諧振的影響，但雙陷波濾波器在抑制諧振峰與改善系統(tǒng)相位特性之間存在難以調(diào)和的矛盾，對系統(tǒng)相位特性的改善有限。

針對雙陷波濾波器的不足，本文引入模糊控制的思想，設(shè)計了一種能夠?qū)ο到y(tǒng)頻域特性進行補償?shù)哪：刂扑惴?，有效改善了系統(tǒng)的相位特性，提升了系統(tǒng)頻率特性。

1 問題描述

圖1 某型火箭伺服系統(tǒng)半實物模擬試驗臺

某型火箭伺服系統(tǒng)如圖1 所示，伺服機構(gòu)采用鉸鏈與發(fā)動機噴管和發(fā)動機常平座連接，發(fā)動機可以繞旋轉(zhuǎn)中心自由擺動。在系統(tǒng)工作過程中，伺服機構(gòu)接收指令改變作動筒伸縮量，驅(qū)動發(fā)動機改變噴管擺角，從而改變發(fā)動機推力方向以調(diào)整火箭姿態(tài)。

伺服系統(tǒng)的控制原理如圖2 所示，線位移為機構(gòu)作動筒的伸縮量，角位移為發(fā)動機擺角，線位移和角位移的測量位置見圖1?？刂菩盘柺┘釉谒欧C構(gòu)，反饋信號來自線位移測量點，用于評估系統(tǒng)動態(tài)特性的信號來自角位移測量點。

圖2 伺服系統(tǒng)控制原理

系統(tǒng)的性能指標和采用比例控制算法測試得到的系統(tǒng)頻率特性如圖3 所示(頻率特性通過定點掃頻方法測得)。性能指標要求在0 ～8Hz 時，系統(tǒng)的幅值不得大于指定值，同時不得小于－3dB;在8Hz之后，系統(tǒng)的幅值不得大于指定值;在0 ～6.28Hz時，系統(tǒng)的相位不得小于指定值。

圖3 采用比例控制的系統(tǒng)實測特性

從幅頻特性看，系統(tǒng)在10Hz 和24Hz 附近存在2個明顯的諧振峰，相關(guān)試驗和分析結(jié)果表明幅頻特性的2個諧振峰由發(fā)動機剛度不足造成;從相頻特性看，系統(tǒng)在低頻段的相位明顯滯后于性能指標?？梢?，必須采用有效的控制算法對系統(tǒng)的頻率特性進行校正，以使系統(tǒng)頻率特性滿足性能指標。文獻［3］采用了雙陷波濾波器控制算法(如圖4 所示)，使用2個串聯(lián)的陷波濾波器對應(yīng)抵消了系統(tǒng)的2個低頻諧振峰，目前該算法被應(yīng)用于某型伺服系統(tǒng)的試樣產(chǎn)品上。

圖4 雙陷波濾波器控制框圖

然而陷波濾波器給系統(tǒng)的相位帶來了不利影響(如圖5 所示)，在調(diào)試過程中必須依靠增大比例系數(shù)來改善相位滯后，比例系數(shù)變大又會使系統(tǒng)的幅頻特性超過性能指標。雙陷波控制算法在抑制諧振峰和改善相位滯后之間存在矛盾。

圖5 采用雙陷波濾波器控制的系統(tǒng)實測特性

2 模糊控制器設(shè)計

為了進一步提高伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能，使系統(tǒng)滿足性能指標并且相對指標具有一定裕量，本文設(shè)計了一種采用T－S 結(jié)構(gòu)的模糊比例控制器。考慮伺服系統(tǒng)的低頻諧振問題，所設(shè)計的控制器要使整個系統(tǒng)讓低頻信號無衰減地通過，而對于比較高頻的信號適當(dāng)加以衰減，在諧振點附近的頻率成分，必須施加較強衰減。在控制律運行過程中，當(dāng)輸入信號中低頻成分占主導(dǎo)時，控制器采用較大的比例系數(shù)，這樣可以保證信號不受較大衰減，而且可以提高系統(tǒng)的相頻特性，但為了保證少量的高頻成分不會因諧振放大而導(dǎo)致低頻成分被淹沒，可以在控制算法中串聯(lián)適當(dāng)階數(shù)的低通或陷波濾波器;當(dāng)通過系統(tǒng)的信號中高頻成分占主導(dǎo)時，控制器采用較小的比例系數(shù)，使高頻信號得到較強衰減從而削弱諧振。根據(jù)上述規(guī)律，可以設(shè)計模糊控制算法，根據(jù)通過系統(tǒng)信號的頻率成分實時改變控制器的比例系數(shù)和濾波參數(shù)。簡單起見，本文設(shè)計的控制器只實時調(diào)節(jié)控制器的比例系數(shù)，串聯(lián)一個固定參數(shù)的陷波濾波器。

一般情況下，系統(tǒng)的輸入信號可以表示為

其中Ai，ωi和φi分別為不同頻率成分的幅值、頻率和相位。那么在［^t － τ ^t］時間段內(nèi)高頻成分和低頻成分在整個信號中所占的比重可以表示為

其中τ ＞0 ，根據(jù)實際需要確定;H(·)和L(·)分別為具有適當(dāng)階數(shù)的高通濾波器和低通濾波器，用于提取信號中的高頻成分和低頻成分(考慮到噪聲影響，也可以將高通濾波過程省去，即式(2)中的分子項中直接對［x(t)］2積分)。式(2)中r 的物理意義為在時間段內(nèi)信號x(t)中高頻成分和低頻成分的功率比(式中約去了系數(shù)1/τ)。考慮到式(2)中含有平方項，為了減少運算量，可以將信號成分比定義為

將式(3)寫為離散形式，得到

其中，N ＞0 ，本文取N = 20 。根據(jù)上述方法建立的模糊控制器原理如圖6 所示。相比于標準模糊系統(tǒng)，T－S 模糊系統(tǒng)具有更強大的函數(shù)能力［4－5］，故本文算法采用T－S 模糊系統(tǒng)實現(xiàn)。模糊算法輸入為信號成分比r 和線位移誤差e，但用于模糊規(guī)則判斷的輸入只有r，輸出為控制信號u。設(shè)信號成分比r 的模糊化量為R (采用單值模糊化方法)，則模糊算法第i 條規(guī)則可以寫為

其中，Ai為定義在r 的論域上的模糊集合;Pi為比例系數(shù)。設(shè)模糊系統(tǒng)具有M 條規(guī)則，那么模糊算法的輸出為

圖6 模糊比例控制原理

經(jīng)過分析和反復(fù)調(diào)試，最終確定的模糊算法隸屬函數(shù)如圖7 所示，輸入值r 的論域被劃分為5個模糊集合。在圖7 中，對于任意輸入值r*，最多存在2個模糊集合，r*對其隸屬度μi(r*)＞0 ，并且這2個隸屬度的和為1。

圖7 最終確定的隸屬函數(shù)

對應(yīng)地，設(shè)計的模糊算法規(guī)則庫由5 條規(guī)則組成，分別為

控制算法采用的高通濾波器，低通濾波器和陷波濾波器分別為

3 MATLAB 仿真

使用MATLAB/Simulink 建立伺服系統(tǒng)的模型(如圖8 所示)，采用掃頻方法測試模糊算法的有效性，仿真過程中仿真步長為1ms，求解算法為四階Runge－Kutta 方法。

圖8 仿真模型

圖9 T－S 模糊算法和陷波濾波器算法仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖9 所示，雙陷波濾波器的模型仿真結(jié)果與試驗結(jié)果(圖5)的差異由仿真模型與實際系統(tǒng)的偏差造成，不影響T －S 模糊算法和雙陷波濾波器算法進行比較。圖9 中，雙陷波濾波器和T－S模糊算法均能有效抑制發(fā)動機造成的低頻諧振，二者均使系統(tǒng)的頻率特性滿足性能指標。從相頻特性看，T－S 模糊算法使系統(tǒng)的相位滯后得到顯著改善，尤其在性能指標要求范圍的后半段，T －S模糊算法明顯優(yōu)于雙陷波濾波器算法，二者對于系統(tǒng)相位的影響最大差別達到了18°?？梢?，T －S 模糊算法具有更好的控制效果。適度采用更高復(fù)雜度的模糊規(guī)則可以在更大程度上改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，但過于復(fù)雜的控制規(guī)則會使控制器的運算量加大，所以對于T －S 模糊系統(tǒng)復(fù)雜度的確定應(yīng)當(dāng)綜合考慮性能指標和運算成本。

4 結(jié)論

針對某型火箭發(fā)動機諧振頻率低、伺服系統(tǒng)不易控制的問題，從頻域角度出發(fā)設(shè)計了一種結(jié)合陷波算法的T －S 模糊控制算法，仿真結(jié)果表明該算法使伺服系統(tǒng)的頻率特性得到改善，相比于現(xiàn)役的雙陷波算法能夠調(diào)和幅頻特性與相頻特性難以均衡調(diào)控的矛盾。該算法著眼于系統(tǒng)頻域特性，將模糊的思想引入到了控制器頻域設(shè)計，克服了傳統(tǒng)模糊控制算法難以補償系統(tǒng)頻率特性的不足，具有一定工程參考價值。

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