含有死區(qū)與間隙電動(dòng)舵機(jī)的反演控制

王慧+劉曉利+王文文

摘要： 針對(duì)電動(dòng)舵機(jī)存在的死區(qū)與間隙特性， 設(shè)計(jì)了一種基于反演法的控制器。 對(duì)電動(dòng)舵系統(tǒng)進(jìn)行建模， 并證明了所設(shè)計(jì)的反演控制器的穩(wěn)定性。 運(yùn)用數(shù)字仿真技術(shù)對(duì)舵系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析， 說(shuō)明了該控制器滿足系統(tǒng)對(duì)快速性以及穩(wěn)態(tài)精度的要求。 仿真結(jié)果表明， 此控制器不僅明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器， 而且能夠消除死區(qū)及間隙影響， 具有優(yōu)良的跟蹤以及魯棒性。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)舵機(jī)； 死區(qū)； 間隙； 反演控制

中圖分類(lèi)號(hào)： V249.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1673-5048（2016）05-0029-05

Abstract： Aiming at the problems of dead zone and gap on the electromechanical actuator， a controller based on backstepping method is proposed. The system of electromechanical actuator is modeled， and the stability of the designed backstepping controller is proved. Based on the technology of numerical simulation， the rapidity and steadystate accuracy of this controller is demonstrated. The simulation results show that this controller is better than traditional PID controller， and it could remove the influence of dead zone and gap， and has the excellent tracking performance and strong robustness.

Key words： electromechanical actuator； dead zone； gap； backstepping control

0引言

電動(dòng)舵機(jī)是導(dǎo)彈常用的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 可以控制舵面轉(zhuǎn)動(dòng)， 改變導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)， 實(shí)現(xiàn)精確打擊目標(biāo)。 但是由于舵機(jī)系統(tǒng)中存在鉸鏈力矩、 摩擦力矩、 慣性力矩， 尤其是靜摩擦力矩， 使電動(dòng)舵機(jī)存在死區(qū)問(wèn)題。 此外， 電動(dòng)舵機(jī)的減速齒輪之間還存在間隙等非線性影響因素。 舵系統(tǒng)中存在的死區(qū)與間隙會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 產(chǎn)生振蕩與相位滯后， 影響系統(tǒng)的快速性并降低舵系統(tǒng)的定位精度。 為進(jìn)一步提高制導(dǎo)精度就需要考慮包含死區(qū)和間隙非線性舵系統(tǒng)的控制問(wèn)題。

針對(duì)舵系統(tǒng)的非線性問(wèn)題， 已有許多學(xué)者取得了研究成果。 李友年等人[1]指出， 舵機(jī)非線性因素會(huì)使舵機(jī)輸出以及導(dǎo)彈的響應(yīng)產(chǎn)生小幅振蕩， 提出了采用超前校正的方法消除這種不利影響， 但文章采用的是描述函數(shù)法， 可以對(duì)舵控系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性和頻率特性分析， 但不能進(jìn)行時(shí)間響應(yīng)分析。 張明月等人[2]針對(duì)電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的非線性、 快時(shí)變等特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)了改進(jìn)自抗擾控制器， 充分考慮了電動(dòng)舵機(jī)存在的死區(qū)問(wèn)題， 但沒(méi)有考慮間隙問(wèn)題。 付永領(lǐng)等人[3]針對(duì)導(dǎo)彈電液舵機(jī)伺服系統(tǒng)， 考慮了負(fù)載變化和不確定性擾動(dòng)， 設(shè)計(jì)了基于自抗擾理論的控制器， 但也沒(méi)有考慮舵機(jī)的摩擦死區(qū)和間隙因素。 李平等人[4]針對(duì)帶有執(zhí)行死區(qū)的非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題， 應(yīng)用步進(jìn)反推技術(shù)設(shè)計(jì)了控制器， 但是僅對(duì)帶有死區(qū)的一般非線性系統(tǒng)進(jìn)行了研究， 并沒(méi)有指出具體的控制對(duì)象， 也未涉及間隙問(wèn)題。

本文以包含死區(qū)與間隙的電動(dòng)舵機(jī)為研究對(duì)象， 運(yùn)用反演法進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)， 并與傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行比較。 同時(shí)采用張平等人[5]所提出的濾波模塊解決了求導(dǎo)運(yùn)算噪聲放大問(wèn)題。

1含有死區(qū)與間隙的電動(dòng)舵機(jī)模型建立

3.3考慮間隙非線性因素

以1°正弦信號(hào)為輸入信號(hào)、 存在間隙時(shí)舵機(jī)對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)示意圖如圖9所示， 展示了間隙引起的相位滯后和削峰作用。 以20°， 2 Hz方波信號(hào)為輸入信號(hào)， PID控制器跟蹤方波信號(hào)時(shí)， 由間隙引起的輸出信號(hào)變化如圖10所示。 對(duì)圖10局部放大如圖11所示， 可以看出， 在輸出值上下出現(xiàn)振蕩， 表現(xiàn)出間隙非線性因素引起極限環(huán)振蕩的典型性質(zhì)。

為了驗(yàn)證反演控制器的魯棒性， 對(duì)電機(jī)參數(shù)、 摩擦參數(shù)、 間隙參數(shù)等分別上下拉偏±50%， 輸入信號(hào)為各種方波與正弦波信號(hào)， 控制器仍然能夠有效跟蹤輸入信號(hào)， 證明此控制器具有良好的魯棒性。

4結(jié)論

針對(duì)電動(dòng)舵機(jī)的死區(qū)及間隙特性， 基于反演法設(shè)計(jì)了一種控制器， 并證明了控制器的穩(wěn)定性。 利用數(shù)字仿真技術(shù)， 將該控制器作用于電動(dòng)舵機(jī)模型中。 仿真結(jié)果表明， 控制器跟蹤方波和正弦信號(hào)時(shí)， 能夠消除電動(dòng)舵機(jī)死區(qū)及間隙影響。 該控制器具有上升時(shí)間短、 魯棒性強(qiáng)、 系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)， 有效抑制了間隙引起的舵偏角振蕩效應(yīng)， 提高了電動(dòng)舵機(jī)的控制精度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李友年， 陳星陽(yáng).舵機(jī)間隙環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的影響分析[J].航空兵器， 2012（1）： 25-27.

[2] 張明月， 楊洪波， 章家保， 等.改進(jìn)自抗擾控制諧波式電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程， 2014， 22（1）： 99-108.

[3] 付永領(lǐng)， 陳輝， 劉和松， 等.基于自抗擾控制的導(dǎo)彈電液舵機(jī)系統(tǒng)研究[J].宇航學(xué)報(bào)， 2010， 31（4）： 1051-1055.

[4] 李平， 金福江.帶有攝動(dòng)死區(qū)的仿射非線性系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 10（6）： 631-636.

[5] 張平， 董小萌， 付奎生.機(jī)載/彈載視覺(jué)導(dǎo)引穩(wěn)定平臺(tái)的建模與控制[M].北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2011.

[6] 潘榮霖.飛航導(dǎo)彈測(cè)高裝置與伺服機(jī)構(gòu)[M].北京： 宇航出版社， 1993.

[7] 于偉， 馬佳光， 李錦英， 等.基于LuGre模型實(shí)現(xiàn)精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)摩擦參數(shù)辨識(shí)及補(bǔ)償[J].光學(xué)精密工程， 2011， 19（11）： 2736-2743.

[8] 趙國(guó)峰， 樊衛(wèi)華， 陳慶偉， 等.齒隙非線性研究進(jìn)展[J].兵工學(xué)報(bào)， 2006， 27（6）： 1073-1080.