面向飞行仿真转台系统的高阶滑模控制的研究

摘要

飞行仿真转台是飞行器研发进程中用以完成地面半实物仿真的重要设备，其位置跟踪精度的需求相当高。但是质量不平衡力矩、建模误差、摩擦力矩以及系统的未建模动态等诸多不确定因素，均以一定的条件制约着系统的机能，使得转台较为精确的数学模型难以被建立，因此有必要设计一种可以很好解决此问题的控制算法（策略）。滑模变结构控制有着如下优势：首先控制算法比较简便易懂；其次其并不要求系统模型具有相当的精度，当扰动或者是其他因素满足一定的条件的时候，滑模控制系统具有不变性。然而滑模的抖振问题使得该算法在现实中工程中的使用变得较为艰难。本文针对干扰，采用了干扰观测器（DOB）、EID估计器、高阶滑模干扰观测器（HSMDO），来进行干扰补偿，而且为了减弱滑模控制的抖振，采用了基于自适应、高阶滑模的控制算法（策略）。
　　本文主要包括以下研究内容：
　　（1）本文以UUT型电动立式三轴飞行仿真转台作为被控对象，通过分析法转台进行了建模，最终得到一个二阶的系统模型，应用频谱分析法，来拟合与辨识此控制系统中的一些相应的参数。针对飞行仿真转台中的质量不平衡力矩、建模误差、摩擦力矩、以及系统的未建模动态等不确定性因素，将干扰补偿加入到转台伺服系统之中。因为在设计DOB的时候，需要预先知道并且求出被控系统的模型的逆模型，但是求逆的时候会有零点与极点相互抵消的情况，这当中就可能含有不稳定的点，进而影响系统性能。She等人在近些年给出了一类基于等价输入干扰的扰动抑制方法，正是因为这种这种算法不必去求取系统的模型的逆，因而整个系统的性能得到了提升。滑模干扰观测器采用切换项来消除干扰因素的影响，但同时也会造成切换项大，抖振现象严重等问题,为此本文采用含EID估计以及super-twisting算法的高阶滑模干扰观测器（HSMDO），最后进行了仿真验真，仿真结果显示在低速与高速的情况下EID估计器与HSMDO均可以大幅提高系统的精度，并且HSMDO的精度较高。
　　(2)对于高精度伺服控制系统，外部干扰力矩和参数大范围变化因素，并考虑到滑模的抖振现象，通过自适应滑模控制策略，设计了带有自适应项的切换增益来减小抖振的产生。仿真结果表明，自适应的加入使得滑模控制的抖振大幅减小，但是在初始时刻与突加干扰时抖振依然存在。为更好的减弱滑模的抖振问题，又设计一种基于HSMDO的高阶滑模控制器以进一步的减弱控制器的抖振，并和普通与自适3应滑模来进行了比较。仿真的结果表明，基以高阶滑模控制策略的控制器使得系统对比于传统一阶滑模有着较好的稳定性，相较于普通滑模其抖振得到了很大幅度上的减弱。
　　(3)介绍了转台的构成及运行的基本原理，对于自适应及二阶滑模控制均在转台上进行了实物验证。

目录

声明

1引言

1.1 本课题研究背景

1.2 转台伺服系统简介

1.3转台伺服系统研究现状

1.4伺服系统控制方法概述

1.5 当前转台系统中存在的问题

1.6 本文主要工作

2 转台系统数学模型的建立及实物介绍与参数辨识

2.1位置伺服系统的数学建模

2.2 转台系统的参数辨识

2.3 转台系统的实物介绍

2.4 本章小结

3基于鲁棒内回路控制干扰补偿的研究

3.1干扰观测器

3.2 EID估计器的设计

3.3 基于super-twisting算法的高阶滑模干扰观测器的设计

3.4 各扰动估计器的仿真对比

3.5 本章小结

4 自适应滑模控制器的研究及仿真与实物验证

4.1 带有自适应项的趋近律设计

4.2 基于新型趋近律的滑模控制器设计

4.3 带有干扰估计的传统与自适应滑模控制仿真

4.4自适应滑模在转台上的实物验证

4.5本章总结

5 高阶滑模控制方法的研究及仿真与实物验证

5.1 高阶滑模控制

5.2 二阶滑模控制及其到达条件

5.3 二阶滑模控制器的设计

5.4 仿真及结果分析

5.5二阶滑模控制器在转台中的实现

5.6本章总结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢