[發明專利]基于參考模型和擾動精確觀測補償的三階舵機控制方法

有效

• 申請號: 202010080596.6
• 申請日: 2020-02-05
• 公開（公告）號: CN111273548B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 韋常柱;劉哲;崔乃剛;孫立偉;許河川
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

1.一種基于參考模型和擾動精確觀測補償的三階舵機控制方法，其特征在于所述方法包括如下步驟：

步驟一、設計三階舵機控制器：

所述三階舵機控制器采用內外環結構，內環由擴張狀態觀測器、非線性滑模控制器、三階舵機模型三部分組成，外環包括參考模型、PD角度控制器；

步驟二、建立三階舵機模型

從控制輸入u到舵偏角θ的三階舵機模型如下：

式中：為角速度，為角加速度，則K_e為電機反電勢系數，τ_m、τ_e分別為舵機機電時間常數與電磁時間常數，i為比例系數，u為控制輸入；

步驟三、選擇參考模型

選擇參考模型的形式如下：

式中：T表示參考模型時間常數，E表示參考模型阻尼系數，s表示拉氏變換中的復數參變量，θ_c為期望舵偏角指令，為參考模型輸出；

步驟四、選擇外環控制律

外環為角度控制環，控制律采用PD控制律：

式中：K_p為比例控制系數，K_d為微分控制系數，θ_c為期望舵偏角指令，ω為角速度；

步驟五、建立內環二階控制模型

令角速度跟蹤誤差為e＝θ_c-θ，那么內環二階控制模型為：

式中：為角加速度誤差，為角速度誤差的三階導數，表示期望角速度，表示期望角加速度，表示期望的角速度三階導數；

步驟六、建立二階擴張狀態觀測器并設計狀態觀測器參數

針對內環二階控制模型，建立如下形式二階擴張狀態觀測器：

式中：Z₁觀測Z₂觀測Z₃觀測k₁為擴張狀態觀測器設計參數；

步驟七、設計非線性滑模控制律

內環控制律采用非線性滑模控制律，依次進行滑模面設計和滑模控制律設計，其中：

所采用的滑模面為：

S＝sig(a₁,e)+k₂·a₂·sig(2-1/a₂,Z₂+k₁·sig(a₁,e))/(2a₂-1)；

式中：sig(h,x)＝((abs(x))^h)·sign(x)，a₁、a₂、k₂均為設計參數，Z₂表示觀測器輸出的觀測值；

所采用的控制律形式為：

u＝-inv(B)·(k₁·a₁·G·(phi/k₁+x₂)+a·sig(r₁,S)+b·sig(r₂,S)+Z₃)；

式中：

r₁＞1、r₂＜1分別代表高冪次項和低冪次項，a、b為設計參數；

步驟八、設計信號預處理策略

(1)對外部輸入的信號指令進行判斷，當本周期信號指令與上一周期信號指令差值大于ζ₁時，認定信號指令出現階躍，此時對階躍信號進行斜坡處理，保證信號變化斜率小于ζ₂；

(2)對控制量指令進行硬飽和處理，即僅允許控制量幅值在一定閾值內變化；

步驟九、三階舵機控制

(1)根據步驟八設計的信號預處理策略，對外部輸入信號進行信號預處理；

(2)給定期望舵偏角指令θ_c，將其輸入參考模型得到參考模型輸出

(3)采用PD控制律進行外環角度控制：根據角位移傳感器得到實時舵偏角θ，根據角速度傳感器得到實時角速度由控制輸入參考指令與實時舵偏角得到實時角度誤差由PD控制律得到內環期望角速度

(4)將實時角度誤差輸入狀態觀測器，實現對狀態量偏差以及對機械間隙、摩擦、溫度變化振動引起的擾動的精確觀測；

(5)由非線性滑模控制律得到控制量，由外環輸出的期望角速度指令和實時角速度得到角速度誤差，同時將擾動估計值Z₃和狀態觀測量Z₂引入非線性滑模控制律，得到舵機控制量u；

(6)每個控制周期重復(1)到(5)，以實現對期望舵偏指令信號的跟蹤。