含有死区与间隙电动舵机的反演控制

    王慧+刘晓利+王文文

    

    

    

    摘要： 针对电动舵机存在的死区与间隙特性， 设计了一种基于反演法的控制器。 对电动舵系统进行建模， 并证明了所设计的反演控制器的稳定性。 运用数字仿真技术对舵系统进行了仿真分析， 说明了该控制器满足系统对快速性以及稳态精度的要求。 仿真结果表明， 此控制器不仅明显优于传统PID控制器， 而且能够消除死区及间隙影响， 具有优良的跟踪以及鲁棒性。

    关键词： 电动舵机； 死区； 间隙； 反演控制

    中图分类号： V249.1文献标识码： A文章编号： 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

    电动舵机是导弹常用的一种执行机构， 可以控制舵面转动， 改变导弹的飞行姿态， 实现精确打击目标。 但是由于舵机系统中存在铰链力矩、 摩擦力矩、 惯性力矩， 尤其是静摩擦力矩， 使电动舵机存在死区问题。 此外， 电动舵机的减速齿轮之间还存在间隙等非线性影响因素。 舵系统中存在的死区与间隙会降低系统的稳定性， 产生振荡与相位滞后， 影响系统的快速性并降低舵系统的定位精度。 为进一步提高制导精度就需要考虑包含死区和间隙非线性舵系统的控制问题。

    针对舵系统的非线性问题， 已有许多学者取得了研究成果。 李友年等人[1]指出， 舵机非线性因素会使舵机输出以及导弹的响应产生小幅振荡， 提出了采用超前校正的方法消除这种不利影响， 但文章采用的是描述函数法， 可以对舵控系统进行稳定性和频率特性分析， 但不能进行时间响应分析。 张明月等人[2]针对电动舵机系统的非线性、 快时变等特点， 设计了改进自抗扰控制器， 充分考虑了电动舵机存在的死区问题， 但没有考虑间隙问题。 付永领等人[3]针对导弹电液舵机伺服系统， 考虑了负载变化和不确定性扰动， 设计了基于自抗扰理论的控制器， 但也没有考虑舵机的摩擦死区和间隙因素。 李平等人[4]针对带有执行死区的非线性系统的控制问题， 应用步进反推技术设计了控制器， 但是仅对带有死区的一般非线性系统进行了研究， 并没有指出具体的控制对象， 也未涉及间隙问题。

    本文以包含死区与间隙的电动舵机为研究对象， 运用反演法进行控制器设计， 并与传统PID控制器进行比较。 同时采用张平等人[5]所提出的滤波模块解决了求导运算噪声放大问题。

    1含有死区与间隙的电动舵机模型建立

    3.3考虑间隙非线性因素

    以1°正弦信号为输入信号、 存在间隙时舵机对正弦信号的响应示意图如图9所示， 展示了间隙引起的相位滞后和削峰作用。 以20°， 2 Hz方波信号为输入信号， PID控制器跟踪方波信号时， 由间隙引起的输出信号变化如图10所示。 对图10局部放大如图11所示， 可以看出， 在输出值上下出现振荡， 表现出间隙非线性因素引起极限环振荡的典型性质。

    为了验证反演控制器的鲁棒性， 对电机参数、 摩擦参数、 间隙参数等分别上下拉偏±50%， 输入信号为各种方波与正弦波信号， 控制器仍然能够有效跟踪输入信号， 证明此控制器具有良好的鲁棒性。

    4结论

    针对电动舵机的死区及间隙特性， 基于反演法设计了一种控制器， 并证明了控制器的稳定性。 利用数字仿真技术， 将该控制器作用于电动舵机模型中。 仿真结果表明， 控制器跟踪方波和正弦信号时， 能够消除电动舵机死区及间隙影响。 该控制器具有上升时间短、 鲁棒性强、 系统稳定等优点， 有效抑制了间隙引起的舵偏角振荡效应， 提高了电动舵机的控制精度。

    参考文献：

    [1] 李友年， 陈星阳.舵机间隙环节对控制系统的影响分析[J].航空兵器， 2012（1）： 25-27.

    [2] 张明月， 杨洪波， 章家保， 等.改进自抗扰控制谐波式电动舵机伺服系统[J].光学精密工程， 2014， 22（1）： 99-108.

    [3] 付永领， 陈辉， 刘和松， 等.基于自抗扰控制的导弹电液舵机系统研究[J].宇航学报， 2010， 31（4）： 1051-1055.

    [4] 李平， 金福江.带有摄动死区的仿射非线性系统控制设计[J].江南大学学报， 2011， 10（6）： 631-636.

    [5] 张平， 董小萌， 付奎生.机载/弹载视觉导引稳定平台的建模与控制[M].北京： 国防工业出版社， 2011.

    [6] 潘荣霖.飞航导弹测高装置与伺服机构[M].北京： 宇航出版社， 1993.

    [7] 于伟， 马佳光， 李锦英， 等.基于LuGre模型实现精密伺服转台摩擦参数辨识及补偿[J].光学精密工程， 2011， 19（11）： 2736-2743.

    [8] 赵国峰， 樊卫华， 陈庆伟， 等.齿隙非线性研究进展[J].兵工学报， 2006， 27（6）： 1073-1080.