多電飛機(jī)機(jī)電作動(dòng)伺服系統(tǒng)控制策略的研究

屈斌 李曉崢 萬(wàn)迪

摘 要：多電飛機(jī)機(jī)電作動(dòng)伺服系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性特征，有著高階非線性的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足精度的要求，基于此，提出了反演控制方法，這種控制方法利用了障礙Lyapunov函數(shù)，同時(shí)還運(yùn)用了切換滑模控制方法。針對(duì)齒隙非線性進(jìn)行反演控制時(shí)，設(shè)計(jì)了一種全新的終端滑?？刂破鳎@種控制器具有更強(qiáng)的魯棒性和更高的控制精度。

關(guān)鍵詞：多電飛機(jī);機(jī)電作動(dòng);伺服系統(tǒng);控制

前言

多電飛機(jī)是重要的飛行交通工具，也是重要的飛行作戰(zhàn)工具，要想讓飛機(jī)在空中飛行，必須要提供飛行動(dòng)力，機(jī)電系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和其他幾個(gè)系統(tǒng)都可以提供動(dòng)力，要想對(duì)飛機(jī)進(jìn)行控制，必須要對(duì)機(jī)電作動(dòng)伺服系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)的作用下，飛機(jī)能夠被精確控制，為了更好地進(jìn)行控制，應(yīng)當(dāng)對(duì)電動(dòng)舵機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高伺服控制的精確性。

1 電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的反演控制

1.1利用障礙Lyapunov函數(shù)方法進(jìn)行反演控制

Lyapunov函數(shù)（CLF）能夠判斷出系統(tǒng)是否穩(wěn)定，可以利用CLF對(duì)系統(tǒng)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。目前，對(duì)伺服系統(tǒng)控制的研究都是以CLF存在為前提的，沒(méi)有一種通用的方法能夠?qū)Ψ蔷€性系統(tǒng)進(jìn)行控制。反演控制方法能夠得到虛擬控制量，讓系統(tǒng)滿(mǎn)足分項(xiàng)CLF的需求，系統(tǒng)可以進(jìn)行反演遞推，通過(guò)這種方法得到整個(gè)系統(tǒng)的CLF，同時(shí)還能夠得到反饋控制率。這種方法不僅運(yùn)用了CLF的構(gòu)造，還加入了振動(dòng)控制率，將兩者相互融合之后，就能夠讓系統(tǒng)更加完善，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)控制，確保電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)能夠在嚴(yán)格反饋系統(tǒng)中使用，也能夠在純反饋系統(tǒng)中運(yùn)用，保證電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性。

反演控制具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，反演控制能夠讓控制設(shè)計(jì)更加規(guī)范和靈活，可以更好地對(duì)高階非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制，利用虛擬控制器和分項(xiàng)CLF提高機(jī)電作動(dòng)伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)品質(zhì)，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)非匹配不確定的情況時(shí)，反演控制能夠及時(shí)分析和解決這個(gè)問(wèn)題。伺服系統(tǒng)有較多非線性的部分，過(guò)去的控制技術(shù)必須要注意增長(zhǎng)性約束條件，而反演控制打破了這個(gè)限制，能夠?qū)芏嗉?xì)節(jié)部分進(jìn)行控制。但是反演控制經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)計(jì)算膨脹的情況，可以利用動(dòng)態(tài)面控制進(jìn)行優(yōu)化，刪除過(guò)去的求導(dǎo)過(guò)程，在相同的部位引入動(dòng)態(tài)方程，讓控制率更加簡(jiǎn)單[1]。

1.2利用電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)輸出約束進(jìn)行反演控制

在電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)中，要明確設(shè)計(jì)的主要目的，確保舵面能夠按照定位進(jìn)行追蹤，避免電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障，在控制器的作用下保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)用了余度結(jié)構(gòu)，由三個(gè)部分組成，第一個(gè)部分是位置控制器，第二個(gè)部分是驅(qū)動(dòng)器，第三個(gè)部分是PMSM電機(jī)。系統(tǒng)運(yùn)用了差動(dòng)周轉(zhuǎn)輪，對(duì)電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行綜合和簡(jiǎn)化，在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，讓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)數(shù)更低，讓運(yùn)動(dòng)的扭矩更高，在傳動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)中，舵面的收放動(dòng)作將會(huì)變得更加自然。反演控制能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的流程，在確定Lyapunov函數(shù)的時(shí)候，能夠同時(shí)對(duì)系統(tǒng)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)子系統(tǒng)，之后就可以對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行控制量和CLF的設(shè)計(jì)。在控制率和振動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)中，可以運(yùn)用逐層修正算法，在更大的范圍中進(jìn)行調(diào)整和跟蹤。為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，可以將積分項(xiàng)應(yīng)用到虛擬控制中，在確定函數(shù)的時(shí)候選擇BLF。在電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)輸出約束的仿真研究中，舵面能夠圍繞輸出軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡與正弦運(yùn)動(dòng)的軌跡非常相似，符合設(shè)計(jì)的預(yù)期，舵面位置的控制也非常精確，在運(yùn)動(dòng)控制中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大的超調(diào)量，運(yùn)動(dòng)的速度比較快，轉(zhuǎn)角部分的誤差沒(méi)有超出預(yù)定的范圍。

1.3對(duì)電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行反演滑模切換控制

在電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)注意全局收斂性的情況，很多方法都無(wú)法徹底解決這一問(wèn)題，可以利用反演滑模切換控制方法，這種控制方法更加簡(jiǎn)單，滑?？刂颇軌?qū)θ质諗啃赃M(jìn)行控制，把約束量控制在收斂域的范圍內(nèi)。在飛機(jī)機(jī)電作動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)中運(yùn)用滑模切換控制的方法，能夠讓舵面運(yùn)動(dòng)擺脫初始條件的束縛，無(wú)論最開(kāi)始處于哪種初始條件中，都能夠調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，更加精確地進(jìn)行控制。經(jīng)過(guò)仿真模擬，證明了系統(tǒng)可以將誤差控制在一定的范圍內(nèi)，在消除穩(wěn)態(tài)誤差方面具有非常好的效果，舵機(jī)系統(tǒng)能夠在更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)。對(duì)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性進(jìn)行分析時(shí)，用不同的負(fù)載方式進(jìn)行模擬，經(jīng)過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的控制方法能夠縮小震蕩的幅度，跟蹤誤差也沒(méi)有超出設(shè)定的范圍，在電流信號(hào)曲線的分析中，證明了系統(tǒng)能夠?qū)Τ{(diào)量進(jìn)行控制，避免超調(diào)量超出預(yù)定的范圍，利用反演滑模切換控制進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的控制也變得更加精確，系統(tǒng)能夠更好地控制超調(diào)量[2]。

2 電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)齒隙補(bǔ)償控制

2.1終端滑模控制

滑?？刂剖且环N非線性的控制方法，這種控制方法實(shí)現(xiàn)了非連續(xù)性控制，系統(tǒng)可以隨時(shí)進(jìn)行切換，發(fā)揮不同的控制作用，讓電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)好的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)獨(dú)立，不會(huì)受到外界環(huán)境的干擾，也不會(huì)受到內(nèi)部參數(shù)的影響，所以滑?？刂朴兄浅：玫聂敯粜浴Ｔ缙诘难芯恐?，一般會(huì)采用線性滑模的控制方式，雖然線性滑模控制能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的速度，系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)偏離設(shè)計(jì)的軌跡。在滑模面的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識(shí)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中使用了吸引子函數(shù)，引入了非線性項(xiàng)，這種滑?？刂品椒ň褪墙K端滑模控制，能夠更好地縮小跟蹤誤差，甚至可以將誤差收斂為零。這種方法的精確性和魯棒性都比較強(qiáng)，而且響應(yīng)的速度也比較快，運(yùn)算比較簡(jiǎn)單，需要進(jìn)行計(jì)算的數(shù)值較少，在伺服系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。

2.2無(wú)抖振滑?？刂?/p>

滑?？刂朴兄贿B續(xù)開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)，系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中很容易出現(xiàn)抖振的情況，雖然系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)必然伴隨著抖振現(xiàn)象，但是可以在系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中減弱抖振，對(duì)抖振的幅度進(jìn)行控制，通常會(huì)使用以下三種方法：第一，可以使用邊界層的方法控制抖振，刪除原本的開(kāi)關(guān)函數(shù)，用飽和函數(shù)進(jìn)行代替，也可以使用終端吸引子進(jìn)行代替，新的函數(shù)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在各種滑?？刂葡到y(tǒng)中都能夠呈現(xiàn)很好的效果。第二，可以使用“Chattering Attenuation”方法削弱抖振，這種算法能夠保證控制量練的連續(xù)性和滑模面的連續(xù)性，但是該算法需要更多的滑模面，會(huì)增加收斂的時(shí)長(zhǎng)。第三，高階滑模算法，這種算法會(huì)受到系統(tǒng)特性的影響，運(yùn)算的過(guò)程比較復(fù)雜。

降低切換項(xiàng)增益有利于削弱抖振，可以使用以下幾種方法：第一，利用自適應(yīng)調(diào)節(jié)增益進(jìn)行控制，縮小系統(tǒng)抖振的幅度。第二，利用干擾觀測(cè)器進(jìn)行控制，非匹配復(fù)合干擾一般都是未知的，而且很難確定上界，如果切換增益過(guò)大，就會(huì)影響滑?？刂频男ЧＪ褂酶蓴_觀測(cè)器之后，能夠得到更加準(zhǔn)確的干擾估值，根據(jù)干擾估值增加補(bǔ)償項(xiàng)，以此來(lái)降低切換項(xiàng)增益，減弱抖振。第三，利用多面化膜進(jìn)行控制，多面滑模需要對(duì)滑模面的斜率進(jìn)行設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。第四，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用趨近律的方法，趨近律包含多種方法，如冪次趨近律以及指數(shù)趨近律。

結(jié)論：

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)控制方法能夠讓系統(tǒng)的響應(yīng)更加快速，讓系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗擾動(dòng)性和控制精度，切換控制方法打破了初始條件的束縛，系統(tǒng)能夠在各種初始條件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，對(duì)于未知干擾，系統(tǒng)控制的函數(shù)設(shè)計(jì)中運(yùn)用了積分項(xiàng)，能夠讓系統(tǒng)更加穩(wěn)定，讓控制更加精確。

參考文獻(xiàn)：

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