多電飛機機電作動伺服系統控制策略的研究

屈斌 李曉崢 萬迪

摘 要：多電飛機機電作動伺服系統具有動態性特征，有著高階非線性的特點，對系統進行控制時，應當滿足精度的要求，基于此，提出了反演控制方法，這種控制方法利用了障礙Lyapunov函數，同時還運用了切換滑?？刂品椒?。針對齒隙非線性進行反演控制時，設計了一種全新的終端滑?？刂破?，這種控制器具有更強的魯棒性和更高的控制精度。

關鍵詞：多電飛機;機電作動;伺服系統;控制

前言

多電飛機是重要的飛行交通工具，也是重要的飛行作戰工具，要想讓飛機在空中飛行，必須要提供飛行動力，機電系統、電氣系統和其他幾個系統都可以提供動力，要想對飛機進行控制，必須要對機電作動伺服系統進行設計，在電動舵機伺服系統的作用下，飛機能夠被精確控制，為了更好地進行控制，應當對電動舵機控制技術進行優化，進一步提高伺服控制的精確性。

1 電動舵機系統的反演控制

1.1利用障礙Lyapunov函數方法進行反演控制

Lyapunov函數（CLF）能夠判斷出系統是否穩定，可以利用CLF對系統控制器進行設計和分析。目前，對伺服系統控制的研究都是以CLF存在為前提的，沒有一種通用的方法能夠對非線性系統進行控制。反演控制方法能夠得到虛擬控制量，讓系統滿足分項CLF的需求，系統可以進行反演遞推，通過這種方法得到整個系統的CLF，同時還能夠得到反饋控制率。這種方法不僅運用了CLF的構造，還加入了振動控制率，將兩者相互融合之后，就能夠讓系統更加完善，實現了自適應控制，確保電動舵機系統能夠在嚴格反饋系統中使用，也能夠在純反饋系統中運用，保證電動舵機系統的閉環穩定性。

反演控制具有非常多的優點，反演控制能夠讓控制設計更加規范和靈活，可以更好地對高階非線性系統進行控制，利用虛擬控制器和分項CLF提高機電作動伺服系統的運動品質，當系統中出現非匹配不確定的情況時，反演控制能夠及時分析和解決這個問題。伺服系統有較多非線性的部分，過去的控制技術必須要注意增長性約束條件，而反演控制打破了這個限制，能夠對很多細節部分進行控制。但是反演控制經常會出現計算膨脹的情況，可以利用動態面控制進行優化，刪除過去的求導過程，在相同的部位引入動態方程，讓控制率更加簡單[1]。

1.2利用電動舵機系統輸出約束進行反演控制

在電動舵機系統控制器的設計中，要明確設計的主要目的，確保舵面能夠按照定位進行追蹤，避免電動舵機伺服系統出現故障，在控制器的作用下保證系統穩定運行。系統結構運用了余度結構，由三個部分組成，第一個部分是位置控制器，第二個部分是驅動器，第三個部分是PMSM電機。系統運用了差動周轉輪，對電動舵機系統驅動軸的機械運動進行綜合和簡化，在運動的時候，讓系統的轉數更低，讓運動的扭矩更高，在傳動鏈的運動中，舵面的收放動作將會變得更加自然。反演控制能夠簡化設計的流程，在確定Lyapunov函數的時候，能夠同時對系統控制器進行設計，將整個系統劃分為幾個子系統，之后就可以對子系統進行控制量和CLF的設計。在控制率和振動控制器的設計中，可以運用逐層修正算法，在更大的范圍中進行調整和跟蹤。為了減小穩態誤差，可以將積分項應用到虛擬控制中，在確定函數的時候選擇BLF。在電動舵機系統輸出約束的仿真研究中，舵面能夠圍繞輸出軸進行運動，運動軌跡與正弦運動的軌跡非常相似，符合設計的預期，舵面位置的控制也非常精確，在運動控制中沒有出現過大的超調量，運動的速度比較快，轉角部分的誤差沒有超出預定的范圍。

1.3對電動舵機系統進行反演滑模切換控制

在電動舵機系統控制器的設計中，應當注意全局收斂性的情況，很多方法都無法徹底解決這一問題，可以利用反演滑模切換控制方法，這種控制方法更加簡單，滑?？刂颇軌驅θ质諗啃赃M行控制，把約束量控制在收斂域的范圍內。在飛機機電作動伺服系統的控制設計中運用滑模切換控制的方法，能夠讓舵面運動擺脫初始條件的束縛，無論最開始處于哪種初始條件中，都能夠調整系統的運動狀態，更加精確地進行控制。經過仿真模擬，證明了系統可以將誤差控制在一定的范圍內，在消除穩態誤差方面具有非常好的效果，舵機系統能夠在更短的時間內進行動態響應。對系統的抗擾動性進行分析時，用不同的負載方式進行模擬，經過比較，發現本文設計的控制方法能夠縮小震蕩的幅度，跟蹤誤差也沒有超出設定的范圍，在電流信號曲線的分析中，證明了系統能夠對超調量進行控制，避免超調量超出預定的范圍，利用反演滑模切換控制進行優化設計后，電動舵機系統的控制也變得更加精確，系統能夠更好地控制超調量[2]。

2 電動舵機系統齒隙補償控制

2.1終端滑?？刂?/p>

滑模控制是一種非線性的控制方法，這種控制方法實現了非連續性控制，系統可以隨時進行切換，發揮不同的控制作用，讓電動舵機系統按照設計好的軌跡進行運動。系統的運動軌跡相對獨立，不會受到外界環境的干擾，也不會受到內部參數的影響，所以滑?？刂朴兄浅：玫聂敯粜浴Ｔ缙诘难芯恐?，一般會采用線性滑模的控制方式，雖然線性滑?？刂颇軌虮ＷC系統的穩定性，但是會嚴重影響系統運動的速度，系統經常會偏離設計的軌跡。在滑模面的優化設計中，應入了神經網絡的相關知識，在設計的過程中使用了吸引子函數，引入了非線性項，這種滑?？刂品椒ň褪墙K端滑?？刂?，能夠更好地縮小跟蹤誤差，甚至可以將誤差收斂為零。這種方法的精確性和魯棒性都比較強，而且響應的速度也比較快，運算比較簡單，需要進行計算的數值較少，在伺服系統中發揮著重要的作用。

2.2無抖振滑?？刂?/p>

滑?？刂朴兄贿B續開關的特點，系統在運動的過程中很容易出現抖振的情況，雖然系統運動必然伴隨著抖振現象，但是可以在系統的優化設計中減弱抖振，對抖振的幅度進行控制，通常會使用以下三種方法：第一，可以使用邊界層的方法控制抖振，刪除原本的開關函數，用飽和函數進行代替，也可以使用終端吸引子進行代替，新的函數具有較強的適應性，在各種滑模控制系統中都能夠呈現很好的效果。第二，可以使用“Chattering Attenuation”方法削弱抖振，這種算法能夠保證控制量練的連續性和滑模面的連續性，但是該算法需要更多的滑模面，會增加收斂的時長。第三，高階滑模算法，這種算法會受到系統特性的影響，運算的過程比較復雜。

降低切換項增益有利于削弱抖振，可以使用以下幾種方法：第一，利用自適應調節增益進行控制，縮小系統抖振的幅度。第二，利用干擾觀測器進行控制，非匹配復合干擾一般都是未知的，而且很難確定上界，如果切換增益過大，就會影響滑模控制的效果。使用干擾觀測器之后，能夠得到更加準確的干擾估值，根據干擾估值增加補償項，以此來降低切換項增益，減弱抖振。第三，利用多面化膜進行控制，多面滑模需要對滑模面的斜率進行設計，增強系統的穩定性和高效性。第四，在系統設計中應用趨近律的方法，趨近律包含多種方法，如冪次趨近律以及指數趨近律。

結論：

本文設計的電動舵機系統控制方法能夠讓系統的響應更加快速，讓系統具有更強的抗擾動性和控制精度，切換控制方法打破了初始條件的束縛，系統能夠在各種初始條件中進行運動，對于未知干擾，系統控制的函數設計中運用了積分項，能夠讓系統更加穩定，讓控制更加精確。

參考文獻：

[1]張卓然，許彥武，于立，等.多電飛機高壓直流并聯供電系統發展現狀與關鍵技術[J].航空學報，2021，42（06）：12-25.

[2]孟繁鑫，王瑞琪，高贊軍，等.多電飛機電動環境控制系統關鍵技術研究[J].航空科學技術，2018，29（02）：1-8.