含有死區(qū)與間隙電動舵機的反演控制

王慧+劉曉利+王文文

摘要： 針對電動舵機存在的死區(qū)與間隙特性， 設計了一種基于反演法的控制器。 對電動舵系統進行建模， 并證明了所設計的反演控制器的穩(wěn)定性。 運用數字仿真技術對舵系統進行了仿真分析， 說明了該控制器滿足系統對快速性以及穩(wěn)態(tài)精度的要求。 仿真結果表明， 此控制器不僅明顯優(yōu)于傳統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。

關鍵詞： 電動舵機； 死區(qū)； 間隙； 反演控制

中圖分類號： V249.1文獻標識碼： A文章編號： 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

電動舵機是導彈常用的一種執(zhí)行機構， 可以控制舵面轉動， 改變導彈的飛行姿態(tài)， 實現精確打擊目標。 但是由于舵機系統中存在鉸鏈力矩、 摩擦力矩、 慣性力矩， 尤其是靜摩擦力矩， 使電動舵機存在死區(qū)問題。 此外， 電動舵機的減速齒輪之間還存在間隙等非線性影響因素。 舵系統中存在的死區(qū)與間隙會降低系統的穩(wěn)定性， 產生振蕩與相位滯后， 影響系統的快速性并降低舵系統的定位精度。 為進一步提高制導精度就需要考慮包含死區(qū)和間隙非線性舵系統的控制問題。

針對舵系統的非線性問題， 已有許多學者取得了研究成果。 李友年等人[1]指出， 舵機非線性因素會使舵機輸出以及導彈的響應產生小幅振蕩， 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法， 可以對舵控系統進行穩(wěn)定性和頻率特性分析， 但不能進行時間響應分析。 張明月等人[2]針對電動舵機系統的非線性、 快時變等特點， 設計了改進自抗擾控制器， 充分考慮了電動舵機存在的死區(qū)問題， 但沒有考慮間隙問題。 付永領等人[3]針對導彈電液舵機伺服系統， 考慮了負載變化和不確定性擾動， 設計了基于自抗擾理論的控制器， 但也沒有考慮舵機的摩擦死區(qū)和間隙因素。 李平等人[4]針對帶有執(zhí)行死區(qū)的非線性系統的控制問題， 應用步進反推技術設計了控制器， 但是僅對帶有死區(qū)的一般非線性系統進行了研究， 并沒有指出具體的控制對象， 也未涉及間隙問題。

本文以包含死區(qū)與間隙的電動舵機為研究對象， 運用反演法進行控制器設計， 并與傳統PID控制器進行比較。 同時采用張平等人[5]所提出的濾波模塊解決了求導運算噪聲放大問題。

1含有死區(qū)與間隙的電動舵機模型建立

3.3考慮間隙非線性因素

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

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

4結論

針對電動舵機的死區(qū)及間隙特性， 基于反演法設計了一種控制器， 并證明了控制器的穩(wěn)定性。 利用數字仿真技術， 將該控制器作用于電動舵機模型中。 仿真結果表明， 控制器跟蹤方波和正弦信號時， 能夠消除電動舵機死區(qū)及間隙影響。 該控制器具有上升時間短、 魯棒性強、 系統穩(wěn)定等優(yōu)點， 有效抑制了間隙引起的舵偏角振蕩效應， 提高了電動舵機的控制精度。

參考文獻：

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

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

[3] 付永領， 陳輝， 劉和松， 等.基于自抗擾控制的導彈電液舵機系統研究[J].宇航學報， 2010， 31（4）： 1051-1055.

[4] 李平， 金福江.帶有攝動死區(qū)的仿射非線性系統控制設計[J].江南大學學報， 2011， 10（6）： 631-636.

[5] 張平， 董小萌， 付奎生.機載/彈載視覺導引穩(wěn)定平臺的建模與控制[M].北京： 國防工業(yè)出版社， 2011.

[6] 潘榮霖.飛航導彈測高裝置與伺服機構[M].北京： 宇航出版社， 1993.

[7] 于偉， 馬佳光， 李錦英， 等.基于LuGre模型實現精密伺服轉臺摩擦參數辨識及補償[J].光學精密工程， 2011， 19（11）： 2736-2743.

[8] 趙國峰， 樊衛(wèi)華， 陳慶偉， 等.齒隙非線性研究進展[J].兵工學報， 2006， 27（6）： 1073-1080.