基于自抗扰控制器的电动缸载荷系统研究
黄杰 黄茹楠 程拓 武延志
摘 要： 针对航空飞行器关键部件疲劳性能评价试验系统准确模拟极端条件下载荷谱的要求，在电动缸载荷系统中通过设计自抗扰控制器（ADRC）估计系统的状态信息和扰动信息，解决在极端条件、无扰动数学模型条件下对规定载荷谱的精确控制问题；解决因极端条件变化带来的扰动和系统不确定性导致的系统稳定性问题。通过仿真试验，电动缸加载三阶系统的力闭环自抗扰控制系统在外部条件相同的条件下，自抗扰控制器的控制效果优于PID控制，响应速度更快，抗系统扰动能力更强，满足伺服电动缸加载控制系统加载精度高、试验评价系统载荷谱重复及一致性精度高的要求。
关键词： 电动缸加载； 自抗扰控制 ；载荷谱； 力闭环
中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）05?0143?04
Abstract： To simulate the load spectrum of the fatigue performance evaluation test system of the aircraft′s key components under extreme condition， the active disturbance rejection controller （ADRC） of the electric cylinder loading system was designed to estimate the system statues information and disturbance information， solve the accuracy control problem of the load spectrum under the extreme condition or undisturbed mathematical model condition， system stability problem caused by the uncertain system and disturbance caused by the changed extreme condition. The results of simulation experiment show that the control effect of the active disturbance rejection control is better than that of the PID control， its response speed is faster and system antidisturbance capability is stronger under the same external conditions， and the controller can meet the requirements of the high loading accuracy of the servo electric cylinder loading control system， and high load spectrum repeatability and consistency of the experiment evaluation system.
Keywords： electric cylinder loading； ADRC； load spectrum； force closed loop
0 引 言
航空飞行器关键部件疲劳性能评价试验系统机用于对飞行器关键部件装机性能和装机寿命进行试验与评价，需要模拟实际飞行工控和载荷谱的准确控制。由于试验系统的结构和极端工作条件的要求，载荷谱动态、长时间连续的模拟控制采用伺服电动缸系统实现。目前伺服电动缸加载系统主要存在的问题是：由于环境温度的极端变化导致物理传动结构变形而产生的非线性控制问题，被控对象的控制特性变化大等因素导致系统载荷控制精度低甚至出现较大的不稳定工作区；同时试验系统被测部件的周期运动也会引入较大的负载扰动，如负载端在有载情况下以一定频率往复摆动引起的负载扰动影响，形成一定的载荷波动。而上述这些扰动难以通过建立精确的数学模型进行扰动补偿控制；另一方面，当设定压力值较大时，系统存在响应速度和超调的相互矛盾，容易引起對加载系统的冲击，甚至破坏机械系统。
自抗扰控制技术不依赖于系统扰动的精确数学模型，通过设计扩张状态观测器ESO，估计系统的状态信息和扰动信息，解决无扰动数学模型的抗干扰控制问题。通过提出设计跟踪微分器TD，提取输入信号和其微分信号，安排阶跃输入的过程，解决响应速度和超调的控制矛盾问题[1]。本文将自抗扰控制技术运用于电动缸加载控制系统中，使其作用于系统的力闭环，改善系统的响应特性，补偿系统因负载扰动带来的加载误差，优化了控制效果。
1 电动缸载荷系统模型分析
电动缸载荷系统由伺服电动缸、弹性环节、压力传感器和负载杆端关节轴承试件组成，其中负载杆端关节轴承的内环可以沿着加载轴垂直方向在一定频率和角度内摆动，其简易结构如图1所示。
由以上分析可以看出被控对象为三阶系统。
2 自抗扰控制器
自抗扰控制器ADRC一般由三部分组成：用微分跟踪器TD提取输入信号的微分信号，给出合适的过渡阶段；用扩张状态观测器ESO估计被控对象的状态信息和系统总和扰动信息；用线性误差反馈控制律LSEF根据给定信号和估计状态之间的误差[e]决定控制规律[4][u0，]并结合扰动估计值补偿得到最终控制量[u。]本文控制三阶对象的系统框图如图3所示。
当输入为恒载荷时，从图6中可以看出，在调整上升阶段，自抗扰控制的响应速度要略微快于PID控制，前者为1.9 s，后者为2.2 s。在[t=3 ]s干扰加入后，PID控制曲线的波动为20 N，而自抗扰控制几乎不受扰动影响。
当输入为正弦载荷时，从图7可以看出，在干扰加入之前，自抗扰控制和PID控制均能较好地跟踪输入曲线，两者相差不大；而在干扰加入之后，PID控制曲线明显随着干扰的频率上下波动，波动幅值大约为30 N，误差为3%，自抗扰控制曲线波动明显小于PID控制，波动幅值大约为10 N，误差为1%，且波动频率小于干扰频率，曲线更为平滑。
5 结 语
本文针对电动缸加载系统建立了力闭环的数学模型，设计了线性自抗扰控制器，将其运用于加载系统载荷的抗干扰控制，通过与传统的PID控制相比较，自抗扰控制器能为载荷系统安排合适的过渡过程，使其调整阶段更平滑。在存在扰动的情况下，能更好地通过扩张状态观测器估计扰动，并通过扰动补偿抑制扰动。本文为疲劳试验机的载荷系统提供了一种可行的加载方式，已在航空轴承疲劳性能试验系统中得到实际应用验证，并取得了稳定性好、精度高的控制效果。
参考文献
[1] 韩京清.自抗扰控制技术：估计补偿不确定因素的控制技术[M].北京：国防工业出版社，2008：19?22.
[2] 徐伟，叶树亮，李东升.全闭环工作台的建模及PID控制[J].自动化仪表，2010（5）：8?9.
[3] 林辉，史富强.基于矢量控制的永磁同步电机调速系统研究[J].现代电子技术，2009，32（18）：211?214.
[4] 韓京清，王伟.非线性跟踪：微分器[J].系统科学与数学，1994，14（2）：177?183.
[5] 杨丽君，卢志刚.三阶线性跟踪?微分器的收敛性证明及仿真研究[J].燕山大学学报，2006，30（1）：44?47.
[6] 黄一，韩京清.非线性连续二阶扩张状态观测器的分析与设计[J].科学通报，2000，45（13）：1373?1379.
[7] GAO Zhiqiang. Scaling and bandwidth?parameterization based controller tuning [C]// Proceedings of 2003 American Control Conference. American： IEEE， 2006： 4989?4996.
[8] 郭婧，杨刚，杨军，等.基于Simulink的火炮伺服系统自抗扰控制仿真[J].现代电子技术，2014，37（10）：120?122.
摘 要： 针对航空飞行器关键部件疲劳性能评价试验系统准确模拟极端条件下载荷谱的要求，在电动缸载荷系统中通过设计自抗扰控制器（ADRC）估计系统的状态信息和扰动信息，解决在极端条件、无扰动数学模型条件下对规定载荷谱的精确控制问题；解决因极端条件变化带来的扰动和系统不确定性导致的系统稳定性问题。通过仿真试验，电动缸加载三阶系统的力闭环自抗扰控制系统在外部条件相同的条件下，自抗扰控制器的控制效果优于PID控制，响应速度更快，抗系统扰动能力更强，满足伺服电动缸加载控制系统加载精度高、试验评价系统载荷谱重复及一致性精度高的要求。
关键词： 电动缸加载； 自抗扰控制 ；载荷谱； 力闭环
中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）05?0143?04
Abstract： To simulate the load spectrum of the fatigue performance evaluation test system of the aircraft′s key components under extreme condition， the active disturbance rejection controller （ADRC） of the electric cylinder loading system was designed to estimate the system statues information and disturbance information， solve the accuracy control problem of the load spectrum under the extreme condition or undisturbed mathematical model condition， system stability problem caused by the uncertain system and disturbance caused by the changed extreme condition. The results of simulation experiment show that the control effect of the active disturbance rejection control is better than that of the PID control， its response speed is faster and system antidisturbance capability is stronger under the same external conditions， and the controller can meet the requirements of the high loading accuracy of the servo electric cylinder loading control system， and high load spectrum repeatability and consistency of the experiment evaluation system.
Keywords： electric cylinder loading； ADRC； load spectrum； force closed loop
0 引 言
航空飞行器关键部件疲劳性能评价试验系统机用于对飞行器关键部件装机性能和装机寿命进行试验与评价，需要模拟实际飞行工控和载荷谱的准确控制。由于试验系统的结构和极端工作条件的要求，载荷谱动态、长时间连续的模拟控制采用伺服电动缸系统实现。目前伺服电动缸加载系统主要存在的问题是：由于环境温度的极端变化导致物理传动结构变形而产生的非线性控制问题，被控对象的控制特性变化大等因素导致系统载荷控制精度低甚至出现较大的不稳定工作区；同时试验系统被测部件的周期运动也会引入较大的负载扰动，如负载端在有载情况下以一定频率往复摆动引起的负载扰动影响，形成一定的载荷波动。而上述这些扰动难以通过建立精确的数学模型进行扰动补偿控制；另一方面，当设定压力值较大时，系统存在响应速度和超调的相互矛盾，容易引起對加载系统的冲击，甚至破坏机械系统。
自抗扰控制技术不依赖于系统扰动的精确数学模型，通过设计扩张状态观测器ESO，估计系统的状态信息和扰动信息，解决无扰动数学模型的抗干扰控制问题。通过提出设计跟踪微分器TD，提取输入信号和其微分信号，安排阶跃输入的过程，解决响应速度和超调的控制矛盾问题[1]。本文将自抗扰控制技术运用于电动缸加载控制系统中，使其作用于系统的力闭环，改善系统的响应特性，补偿系统因负载扰动带来的加载误差，优化了控制效果。
1 电动缸载荷系统模型分析
电动缸载荷系统由伺服电动缸、弹性环节、压力传感器和负载杆端关节轴承试件组成，其中负载杆端关节轴承的内环可以沿着加载轴垂直方向在一定频率和角度内摆动，其简易结构如图1所示。
由以上分析可以看出被控对象为三阶系统。
2 自抗扰控制器
自抗扰控制器ADRC一般由三部分组成：用微分跟踪器TD提取输入信号的微分信号，给出合适的过渡阶段；用扩张状态观测器ESO估计被控对象的状态信息和系统总和扰动信息；用线性误差反馈控制律LSEF根据给定信号和估计状态之间的误差[e]决定控制规律[4][u0，]并结合扰动估计值补偿得到最终控制量[u。]本文控制三阶对象的系统框图如图3所示。
当输入为恒载荷时，从图6中可以看出，在调整上升阶段，自抗扰控制的响应速度要略微快于PID控制，前者为1.9 s，后者为2.2 s。在[t=3 ]s干扰加入后，PID控制曲线的波动为20 N，而自抗扰控制几乎不受扰动影响。
当输入为正弦载荷时，从图7可以看出，在干扰加入之前，自抗扰控制和PID控制均能较好地跟踪输入曲线，两者相差不大；而在干扰加入之后，PID控制曲线明显随着干扰的频率上下波动，波动幅值大约为30 N，误差为3%，自抗扰控制曲线波动明显小于PID控制，波动幅值大约为10 N，误差为1%，且波动频率小于干扰频率，曲线更为平滑。
5 结 语
本文针对电动缸加载系统建立了力闭环的数学模型，设计了线性自抗扰控制器，将其运用于加载系统载荷的抗干扰控制，通过与传统的PID控制相比较，自抗扰控制器能为载荷系统安排合适的过渡过程，使其调整阶段更平滑。在存在扰动的情况下，能更好地通过扩张状态观测器估计扰动，并通过扰动补偿抑制扰动。本文为疲劳试验机的载荷系统提供了一种可行的加载方式，已在航空轴承疲劳性能试验系统中得到实际应用验证，并取得了稳定性好、精度高的控制效果。
参考文献
[1] 韩京清.自抗扰控制技术：估计补偿不确定因素的控制技术[M].北京：国防工业出版社，2008：19?22.
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[6] 黄一，韩京清.非线性连续二阶扩张状态观测器的分析与设计[J].科学通报，2000，45（13）：1373?1379.
[7] GAO Zhiqiang. Scaling and bandwidth?parameterization based controller tuning [C]// Proceedings of 2003 American Control Conference. American： IEEE， 2006： 4989?4996.
[8] 郭婧，杨刚，杨军，等.基于Simulink的火炮伺服系统自抗扰控制仿真[J].现代电子技术，2014，37（10）：120?122.
