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多电飞机机电作动伺服系统控制策略研究

陈晓雷  
【摘要】:多电飞机技术是当今航空领域的研究热点,机电作动器及其控制技术是多电飞机的关键性基础问题之一。论文以机电作动器在舵机系统和刹车系统中的应用为研究背景,研究了电动舵机系统及全电刹车系统的相关控制问题,论文的主要研究工作和贡献如下:针对PMSM驱动的电动舵机伺服系统中存在的高阶非线性、参数时变及未建模动态特性,提出基于障碍Lyapunov函数的反演控制策略。设计障碍函数作为控制Lyapunov函数实现对舵面跟踪误差上界的约束,在控制Lyapunov函数设计中引入积分项消除未建模动态引起的稳态误差。证明闭环信号的一致有界性,跟踪误差半全局一致终结有界,且控制过程中舵面位置跟踪误差始终保持在约束区间内,实现电动舵机伺服系统的高精度控制。在此基础上,提出切换控制方法,扩大该方法的适用范围。该方法是对电动舵机控制技术改进的有益尝试,目的是在保留传统三闭环控制结构的基础上,提升舵面位置伺服控制精度。齿隙非线性是电动舵机系统有别于传统液压舵机的特性。齿隙环节会造成动力延迟、噪声与振动,影响伺服系统动态性能与控制精度,成为限制电动舵机应用的关键因素之一。基于反演控制思想,提出一种结合干扰观测器的终端滑模控制器,实现对齿隙非线性的有效补偿。设计连续可微函数逼近电动舵机系统中的齿隙非线性死区模型,将拟合误差及未知扰动叠加表达为复合干扰项,建立含齿隙环节的电动舵机系统的状态空间模型。基于反演控制的设计思想,按物理结构将整体模型划分为三个子系统进行控制设计,采用全阶无抖振终端滑模控制方法设计虚拟控制量,可实现子系统跟踪误差的有限时间收敛,提升控制品质。设计有限时间干扰观测器估计复合干扰,降低滑模控制设计的保守性。该方法克服了现有文献中齿隙补偿控制设计存在的若干不足,且在齿隙特性及负载发生变化时具有强鲁棒性。该方法不仅适用于PMSM驱动的电动舵机系统,也可推广到其它EMA系统,具有普遍适用性和工程意义。现有防滑刹车系统较难从理论上保障刹车过程中飞机的侧向稳定性。针对该问题,提出将全电刹车作动机构驱动及控制与滑移率控制集成化的控制设计方案。在研究刹车作动机构的结构及原理的基础上,提出新型动态快速终端滑模控制策略,实现刹车作动的高性能压力伺服控制。将刹车稳定性问题归结为含输出约束的非线性系统的镇定问题,即要求刹车过程中滑移率始终不得大于某设定上限值。设计对数型障碍函数实现对滑移率的约束,得到刹车压力参考值。该方法将整体刹车系统表达为严格反馈形式,采用反演控制的框架进行控制律设计,不仅适用于本文研究的电动作动机构,也适用于其它作动机构的刹车系统设计,如液压作动、电静液作动等,在不改变现有刹车系统控制结构的前提下,通过对滑移率的上界约束,有效处理控制过程需保持飞机侧向稳定性的问题。针对无人机自动刹车控制中难以合理设置期望滑移率的问题,提出一种极值搜索控制策略。考虑机电作动机构的非线性特性,建立系统的状态空间模型并合理简化为严格反馈形式,采用超扭曲算法估计结合系数的梯度,结合反馈线性化控制律得到刹车压力参考值,证明此控制作用下可实现对未知最优滑移率的渐近跟踪。采用反演控制的思想设计无抖振滑模控制器实现对参考刹车压力的跟踪。利用Lyapunov方法获得系统的渐近稳定性条件并分析控制参数对系统的影响。建立HIL试验平台进行仿真研究,验证控制策略的有效性。该方法避免了传统跑道辨识算法中需依赖摩擦模型先验知识的困难,且具有更强的跑道自适应能力,有效提升无人机刹车系统的控制性能。


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