机电伺服作动系统非线性特性建模与控制方法研究

摘要

随着电机技术、伺服控制技术的快速发展,电动舵机的机械性能和控制性能不断提高,使得其在全电飞机和高机动性飞机上的应用成为了可能,在未来飞行器中拥有十分广阔的前景.与此同时,对电动舵机的跟踪性能提出了更高要求,然而间隙、摩擦和弹性形变等非线性特性的存在严重影响了它的静动态性能,容易造成系统的跟踪误差增大、驱动延迟、低速"爬行"或极限环振荡等现象,从而制约了飞行器控制品质的提高.因此,必须采取适当的措施来消除或减小这些非线性特性所带来的不利影响,以提高系统的跟踪精度.本文在总结相关领域研究现状的基础上,以某型号电动舵机为研究对象,对常规建模中简化甚至忽略的非线性特性进行理论研究和仿真分析,建立非线性因素耦合下的电动舵机模型,最后针对新模型中部分参数未知并且易受负载扰动影响的特点,进行自适应鲁棒控制(ARC)研究. 本文的主要工作包括几个方面: 1.依据电动舵机关键技术研究现状,对本文研究对象的系统组成、结构原理进行介绍.同时采用机理建模的方法建立电动舵机系统的二阶模型,对其进行双闭环PI控制,最终完成仿真验证和性能分析.所得到的时域、频域特性表明,电动舵机模型满足性能指标. 2.综合考虑电动舵机系统中的非线性特性,提出死区、饱和、间隙、摩擦等常见非线性特性的研究方案,并通过Matlab/Simulink仿真得到不同量级非线性影响下的系统响应.在此基础上,分析了舵机非线性特性对飞行控制回路的影响.结果表明,传动机构中的间隙(包括传递刚度)和摩擦对控制性能具有较大的不良影响,不容忽视. 3.针对电动舵机系统中部分参数未知的特点,基于Backstepping设计自适应控制器(AC),该控制器能够在线辨识系统中的不确定参数,在不含扰动的前提下满足跟踪精度要求.加入扰动进行仿真对比,自适应控制器能够补偿含未知参数的非线性特性影响,但是对外部扰动的鲁棒性不足. 4.为了提高电动舵机系统的抗干扰能力,引入确定性鲁棒控制,设计自适应鲁棒控制器(ARC).通过AC、DRC和ARC的仿真对比,自适应鲁棒控制不仅能够克服非线性特性的影响,实现舵机的精确跟踪,而且能够有效地抑制铰链力矩等的干扰,具有优势.

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