[發明專利]一種電動舵機的變結構控制系統及方法

有效

• 申請號: 201510069880.2
• 申請日: 2015-02-10
• 公開（公告）號: CN104698835B
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: 馬聯強;黨軍;段曉飛;韓瑛
• 申請（專利權）人: 中國航天科技集團公司第九研究院第七七一研究所
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種電動舵機的變結構控制系統及方法，包括位置傳感器、信號調理電路、變結構控制器、微分控制器、比例控制器和比例積分控制器，舵面控制信號和舵面反饋信號分別經過調理后，首先進行差分運算，運算結果進行微分運算，微分運算結果與差分運算結果再進行比例運算，運算結果送入誤差運算放大器，進行比例和積分運算。差分運算電路參數對應變結構控制的切換函數；微分控制器、比例控制器、比例積分控制器依次連接，依據變結構控制電路的輸出組成PID控制器或PD控制器，實現對電動舵機的精確控制。

技術領域

本發明屬于電動舵機伺服控制領域，具體涉及一種電動舵機的變結構控制系統及方法。

背景技術

變結構PID控制是常用的電動舵機控制方法。變結構控制方法，是通過設計一個變結構的控制函數，使被控量在相平面上的運動軌跡能夠進入設計好的運動軌跡，從而快速進入穩定狀態。系統在變結構模態下不僅保持對系統結構不確定性、參數不確定性、以及外部干擾等不確定性因素的魯棒性，而且可以獲得較為滿意的動態性能。但是變結構控制存在固有抖動問題，尤其在航空航天設備上使用的電動舵機工作環境惡劣，難以在實際控制中達到最佳控制效果。

發明內容

本發明的目的是為了進一步提高電動舵機的性能，提出一種用于防止電動舵機抖動的變結構控制系統及方法，通過硬件電路對舵面控制信號和舵面反饋信號進行控制，依據舵面信號和控制信號的差值確定切換函數和控制函數，通過改變控制器結構，有效解決了PID控制中積分控制引起的超調和變結構控制的固有抖動問題，舵機響應快、抖動小、偏轉角度精度高、系統魯棒性好，使系統控制效果達到最佳。

為了達到上述目的，一種電動舵機的變結構控制系統，包括同相端接收控制信號的變結構控制器，變結構控制器的輸出端連接微分控制器的輸入端和比例控制器的第一輸入端，微分控制器的輸出端連接比例控制器的第二輸入端，比例控制器的輸出端連接比例積分控制器的輸入端，比例積分控制器輸出PWM到主功率電路，主功率電路驅動直流電機通過齒輪組帶動舵面旋轉，位置傳感器檢測舵面旋轉角度，經信號調理電路調理后生成反饋信號，反饋信號連接變結構控制器的反相端。

所述變結構控制器的輸出信號為控制信號減去反饋信號。

所述比例控制器輸出的是將微分控制器的微分結果和變結構控制器的輸出信號通過比例放大后的信號。

一種電動舵機的變結構控制系統的控制方法，包括以下步驟：

第一步：變結構控制器對控制信號和反饋信號進行減法運算，差值設為ΔV，變結構控制器再對ΔV進行放大，設增益為G1，設輸出為Uo1，則Uo1＝G1×ΔV,Uo1的最大輸出電壓為Uo1_max＝VCC-Vsat，Vsat為變結構控制器的飽和電壓；在VCC和Vsat為定值的條件下，G1和ΔV的大小決定變結構控制器是否達到最大值輸出，即飽和輸出，設定好G1后，設進入飽和輸出的臨界值為ΔVref，當ΔV≥ΔVref時，變結構控制器輸出恒定值Uo1_max，不再隨ΔV的增大而變化，G1和ΔVref為變結構控制切換函數的函數變量；

第二步：變結構控制器輸出的Uo1_max進入比例控制器和微分控制器，設微分控制器的輸出為Uo2，設比例控制器的增益為G2、輸出為Uo3，則Uo3＝G2×(Uo1+Uo2)；

第三步：當ΔV＜ΔVref時，Uo1輸出為變化量，微分控制器的輸出Uo2隨Uo1的變化而變化，比例控制器輸出Uo3＝G2×(Uo1+Uo2)，此時，微分控制器、比例控制器、比例積分控制器形成一個PID控制器，對系統進行閉環控制；

當ΔV≥ΔVref時，Uo1達到最大輸出，且不再變化，微分控制器的輸出Uo2輸出值為零，比例控制器輸出Uo3＝G2×(Uo1+0)＝G2×Uo1，也為恒定值，此時，比例積分控制器構成PI控制器，對系統進行閉環控制；