基于自抗擾控制器的電動缸載荷系統研究

黃杰　黃茹楠　程拓　武延志

摘 要： 針對航空飛行器關鍵部件疲勞性能評價試驗系統準確模擬極端條件下載荷譜的要求，在電動缸載荷系統中通過設計自抗擾控制器（ADRC）估計系統的狀態信息和擾動信息，解決在極端條件、無擾動數學模型條件下對規定載荷譜的精確控制問題；解決因極端條件變化帶來的擾動和系統不確定性導致的系統穩定性問題。通過仿真試驗，電動缸加載三階系統的力閉環自抗擾控制系統在外部條件相同的條件下，自抗擾控制器的控制效果優于PID控制，響應速度更快，抗系統擾動能力更強，滿足伺服電動缸加載控制系統加載精度高、試驗評價系統載荷譜重復及一致性精度高的要求。

關鍵詞： 電動缸加載； 自抗擾控制 ；載荷譜； 力閉環

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

航空飛行器關鍵部件疲勞性能評價試驗系統機用于對飛行器關鍵部件裝機性能和裝機壽命進行試驗與評價，需要模擬實際飛行工控和載荷譜的準確控制。由于試驗系統的結構和極端工作條件的要求，載荷譜動態、長時間連續的模擬控制采用伺服電動缸系統實現。目前伺服電動缸加載系統主要存在的問題是：由于環境溫度的極端變化導致物理傳動結構變形而產生的非線性控制問題，被控對象的控制特性變化大等因素導致系統載荷控制精度低甚至出現較大的不穩定工作區；同時試驗系統被測部件的周期運動也會引入較大的負載擾動，如負載端在有載情況下以一定頻率往復擺動引起的負載擾動影響，形成一定的載荷波動。而上述這些擾動難以通過建立精確的數學模型進行擾動補償控制；另一方面，當設定壓力值較大時，系統存在響應速度和超調的相互矛盾，容易引起對加載系統的沖擊，甚至破壞機械系統。

自抗擾控制技術不依賴于系統擾動的精確數學模型，通過設計擴張狀態觀測器ESO，估計系統的狀態信息和擾動信息，解決無擾動數學模型的抗干擾控制問題。通過提出設計跟蹤微分器TD，提取輸入信號和其微分信號，安排階躍輸入的過程，解決響應速度和超調的控制矛盾問題[1]。本文將自抗擾控制技術運用于電動缸加載控制系統中，使其作用于系統的力閉環，改善系統的響應特性，補償系統因負載擾動帶來的加載誤差，優化了控制效果。

1 電動缸載荷系統模型分析

電動缸載荷系統由伺服電動缸、彈性環節、壓力傳感器和負載桿端關節軸承試件組成，其中負載桿端關節軸承的內環可以沿著加載軸垂直方向在一定頻率和角度內擺動，其簡易結構如圖1所示。

由以上分析可以看出被控對象為三階系統。

2 自抗擾控制器

自抗擾控制器ADRC一般由三部分組成：用微分跟蹤器TD提取輸入信號的微分信號，給出合適的過渡階段；用擴張狀態觀測器ESO估計被控對象的狀態信息和系統總和擾動信息；用線性誤差反饋控制律LSEF根據給定信號和估計狀態之間的誤差[e]決定控制規律[4][u0，]并結合擾動估計值補償得到最終控制量[u。]本文控制三階對象的系統框圖如圖3所示。

當輸入為恒載荷時，從圖6中可以看出，在調整上升階段，自抗擾控制的響應速度要略微快于PID控制，前者為1.9 s，后者為2.2 s。在[t=3 ]s干擾加入后，PID控制曲線的波動為20 N，而自抗擾控制幾乎不受擾動影響。

當輸入為正弦載荷時，從圖7可以看出，在干擾加入之前，自抗擾控制和PID控制均能較好地跟蹤輸入曲線，兩者相差不大；而在干擾加入之后，PID控制曲線明顯隨著干擾的頻率上下波動，波動幅值大約為30 N，誤差為3%，自抗擾控制曲線波動明顯小于PID控制，波動幅值大約為10 N，誤差為1%，且波動頻率小于干擾頻率，曲線更為平滑。

5 結 語

本文針對電動缸加載系統建立了力閉環的數學模型，設計了線性自抗擾控制器，將其運用于加載系統載荷的抗干擾控制，通過與傳統的PID控制相比較，自抗擾控制器能為載荷系統安排合適的過渡過程，使其調整階段更平滑。在存在擾動的情況下，能更好地通過擴張狀態觀測器估計擾動，并通過擾動補償抑制擾動。本文為疲勞試驗機的載荷系統提供了一種可行的加載方式，已在航空軸承疲勞性能試驗系統中得到實際應用驗證，并取得了穩定性好、精度高的控制效果。

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