谐波传动式电动舵机多级滑模控制及非线性补偿研究
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摘要
电动舵机系统是一个高精度宽频带的角位置跟踪伺服系统，其性能直接决定着飞行器控制的动态品质。摩擦和间隙是影响电动舵机系统静动态性能的重要因素，其非线性特性会导致系统的跟踪误差增大、驱动延时、低速“爬行”或极限环振荡等，严重制约了电动舵机系统伺服控制性能的提高。因此，必须采取适当的补偿控制方法，来消除或减小摩擦和间隙所带来的不利影响，以提高系统的跟踪精度。本文在系统总结相关领域研究现状的基础上，针对某飞行器论证了一套满足总体技术指标要求的谐波传动式电动舵机方案，并对该系统的多级滑模控制及非线性补偿等关键技术展开了深入研究，通过仿真分析和测试实验对比验证了该方案的有效性。
论文首先确定了电动舵机系统的总体方案，包括采用谐波齿轮-圆锥齿轮相结合的机械传动方案和采用位置-速度双闭环的系统控制方案。对电动舵机系统进行了详细的参数化设计，包括负载分析、负载特性分析和负载匹配分析，确定了系统的最优传动比，并着重介绍了伺服电机的参数设计和选型以及谐波传动减速装置的参数设计。在此基础上，对电动舵机系统进行了详细的结构设计和结构改进设计，并对关键结构部分进行了动态仿真分析，结果满足设计要求。
为解决因摩擦和间隙非线性影响而导致系统跟踪精度不高等问题，论文对电动舵机系统中摩擦和间隙非线性进行了辨识及补偿研究。针对位置-速度双闭环PI控制的电动舵机系统，建立了基于LuGre摩擦和迟滞间隙的数学模型；依据模型采用前馈补偿方法对系统中的摩擦进行补偿，同时采用逆模型方法对系统中的间隙进行补偿控制。实验结果表明，补偿后系统的最大位置跟踪误差由原来的0.166°减小到了0.096°，最大速度跟踪误差由原来的2.723rpm减小到了0.393rpm。本文提出的辨识测试方法能够精确地获得摩擦和间隙模型，基于该模型的补偿能够有效地提高电动舵机系统的跟踪精度。
为进一步提高系统的跟踪精度，论文对电动舵机系统的多级滑模控制策略进行了研究。建立了谐波传动式电动舵机多级串联系统的数学模型，针对该模型设计了多级滑模控制器，并采用RBF神经网络对系统内的摩擦和间隙进行了在线自适应逼近，解决了传统滑模控制中必然存在的“抖振”问题，并利用该多级滑模控制方法与PI控制非线性补偿方法进行了数值仿真对比。结果表明，采用该多级滑模控制方法时，系统的位置和速度跟踪稳态误差均接近于0，这说明了该控制方法能够对系统中的非线性因素起到更好的抑制作用，从而可使电动舵机系统的伺服控制性能得到进一步提高。
最后，论文基于RecurDyn与Matlab/Simulink软件对刚柔耦合谐波传动式电动舵机系统进行了机械动力学-控制系统的联合仿真。建立了位置-速度双闭环控制框图，采用非线性控制设计模块NCD与优化函数相结合的方法，实现了PI控制器参数的整定和优化，并对电动舵机虚拟样机进行了仿真测试，结果满足总体指标要求。通过利用在Matlab/xPC环境下建立的半实物仿真实验平台，对谐波传动式电动舵机的各项技术指标进行了实验测试。由实验结果可知，系统的最大舵面偏转角可达到±20°，最大舵面偏转角速度大于150°/s，最大输出铰链力矩可达到15N·m，系统带宽不小于25Hz，跟踪误差不超过0.1°，这说明所研制的谐波传动式电动舵机的各项性能指标都达到了总体技术指标要求。
研究表明，所提出的谐波传动式电动舵机方案是可行的，论文研究成果对今后谐波传动式电动舵机的研究和研制工作都具有一定的借鉴作用。
Electro-Mechanical Actuator (EMA) system is an angular position trackingservo system with high precious and high bandwidth, and its static and dynamicperformances play a critical influence on tracking performance of aircraft. Frictionand backlash are two important factors that affect the EMA system performances,and their nonlinear characteristics can bring about some problems of tracking errorincrease, driving delay, dithering at a low speed or the limit cycle response, whichbadly restrict the improvement of the EMA system performances. Therefore, somemeasures must be taken to eliminate or reduce the adverse effects brought by thenonlinear factors. By generalizing the present studies in this field, a kind of EMAwith harmonic gear drive scheme was demonstrated in paper, and the in-depth studyon its key techniques such as multiple sliding mode control and nonlinearcompensation etc. were performed. It was proved that the proposed scheme isavailable by comparison the simulation and experimental results.
Firstly, the genreal scheme of the EMA system was determined, including thetransmission scheme with harmonic gear and bevel gear, as well as the controlscheme with position loop and speed loop. Then, the parametric design of the EMAsystem was discussed, and the optimum gear ratio was determined. Also, theparameters design and selection of servo motor and harmonic drive trismission were introduced emphatically. In addition, the structure and its improved structure of theEMA system was designed. Among them, the dynamic simulation of the keystructural parts was implemented, and the anlysis results indicate that the designmeets the design requirements.
To resolve the problems caused by friction and backlash, the methods of frictionand backlash identification and compensation were put forword. For the PI controlsystem with position loop and speed loop, the mathematical models based on LuGrefriction and hysteresis backlash were built; According to the identified nonlinearitymodels, the friction was compensated though feed-forward compensation, and thebacklash was done simultaneously though inverse model compensation as well. Theexperimental results show that the maximum position tracking error of the EMAsystem after compensation decreases from0.166°to0.096°, and the maximum speedtracking error decreases from2.723rpm to0.393rpm. It’s concluded that the frictionand backlash models can be accurately obtained by the proposed identificationmethods, and the tracking accuracy of the EMA system can be improved throughnonlinearity compensation on the basis of the proposed models.
In order to improve further tracking precision, Multiple Sliding Mode Control(MSMC) strategy for the EMA system was studied. The mathematical model of theEMA multistage series systems was established, according to the model the MSMCcontroller was designed, and the RBF neural network was used to adaptive approachthe nonlinear factors, which overcame the dithering problem inevitably existed intraditional sliding mode control. By comparing the simulation results of the MSMCmethod and the method of PI control with compensation, it can be found that thenonlinear factors can be suppressed better by the MSMC method, and the EMAsystem performances can be further improved.
Finally, a co-simulation between mechanism and control was carried out for theEMA system with rigid-flexible coupling based on RecurDyn and Matlab/Simulink.The control block diagram was established, and the PI controller parameters were setand optimized by using NCD module combined with optimization function. Then the simulation test for the EMA virtual prototype was executed, and the co-simulationresults satisfied the system requirements. Moreover, the semi-physical simulationplatform of the EMA system was built under the environment of Matlab/xPC. Theexperimental results reveal that, the maximum deflection angle of rudder can be upto±20°, the maximum angular velocity is greater than150°/s, the maximum outputhinge moment can reach15N·m, and the system bandwidth is not less than25Hz, thetracking error is not more than0.1°, which indicates that all the specifications of thedeveloped EMA have reached the general requirements of specifications.
Studies show that the proposed scheme of EMA with harmonic gear drive isfeasible, and the thesis research results has a certain reference value to the furtherstudy and development of EMA with harmonic gear drive in the future work.
论文首先确定了电动舵机系统的总体方案，包括采用谐波齿轮-圆锥齿轮相结合的机械传动方案和采用位置-速度双闭环的系统控制方案。对电动舵机系统进行了详细的参数化设计，包括负载分析、负载特性分析和负载匹配分析，确定了系统的最优传动比，并着重介绍了伺服电机的参数设计和选型以及谐波传动减速装置的参数设计。在此基础上，对电动舵机系统进行了详细的结构设计和结构改进设计，并对关键结构部分进行了动态仿真分析，结果满足设计要求。
为解决因摩擦和间隙非线性影响而导致系统跟踪精度不高等问题，论文对电动舵机系统中摩擦和间隙非线性进行了辨识及补偿研究。针对位置-速度双闭环PI控制的电动舵机系统，建立了基于LuGre摩擦和迟滞间隙的数学模型；依据模型采用前馈补偿方法对系统中的摩擦进行补偿，同时采用逆模型方法对系统中的间隙进行补偿控制。实验结果表明，补偿后系统的最大位置跟踪误差由原来的0.166°减小到了0.096°，最大速度跟踪误差由原来的2.723rpm减小到了0.393rpm。本文提出的辨识测试方法能够精确地获得摩擦和间隙模型，基于该模型的补偿能够有效地提高电动舵机系统的跟踪精度。
为进一步提高系统的跟踪精度，论文对电动舵机系统的多级滑模控制策略进行了研究。建立了谐波传动式电动舵机多级串联系统的数学模型，针对该模型设计了多级滑模控制器，并采用RBF神经网络对系统内的摩擦和间隙进行了在线自适应逼近，解决了传统滑模控制中必然存在的“抖振”问题，并利用该多级滑模控制方法与PI控制非线性补偿方法进行了数值仿真对比。结果表明，采用该多级滑模控制方法时，系统的位置和速度跟踪稳态误差均接近于0，这说明了该控制方法能够对系统中的非线性因素起到更好的抑制作用，从而可使电动舵机系统的伺服控制性能得到进一步提高。
最后，论文基于RecurDyn与Matlab/Simulink软件对刚柔耦合谐波传动式电动舵机系统进行了机械动力学-控制系统的联合仿真。建立了位置-速度双闭环控制框图，采用非线性控制设计模块NCD与优化函数相结合的方法，实现了PI控制器参数的整定和优化，并对电动舵机虚拟样机进行了仿真测试，结果满足总体指标要求。通过利用在Matlab/xPC环境下建立的半实物仿真实验平台，对谐波传动式电动舵机的各项技术指标进行了实验测试。由实验结果可知，系统的最大舵面偏转角可达到±20°，最大舵面偏转角速度大于150°/s，最大输出铰链力矩可达到15N·m，系统带宽不小于25Hz，跟踪误差不超过0.1°，这说明所研制的谐波传动式电动舵机的各项性能指标都达到了总体技术指标要求。
研究表明，所提出的谐波传动式电动舵机方案是可行的，论文研究成果对今后谐波传动式电动舵机的研究和研制工作都具有一定的借鉴作用。
Electro-Mechanical Actuator (EMA) system is an angular position trackingservo system with high precious and high bandwidth, and its static and dynamicperformances play a critical influence on tracking performance of aircraft. Frictionand backlash are two important factors that affect the EMA system performances,and their nonlinear characteristics can bring about some problems of tracking errorincrease, driving delay, dithering at a low speed or the limit cycle response, whichbadly restrict the improvement of the EMA system performances. Therefore, somemeasures must be taken to eliminate or reduce the adverse effects brought by thenonlinear factors. By generalizing the present studies in this field, a kind of EMAwith harmonic gear drive scheme was demonstrated in paper, and the in-depth studyon its key techniques such as multiple sliding mode control and nonlinearcompensation etc. were performed. It was proved that the proposed scheme isavailable by comparison the simulation and experimental results.
Firstly, the genreal scheme of the EMA system was determined, including thetransmission scheme with harmonic gear and bevel gear, as well as the controlscheme with position loop and speed loop. Then, the parametric design of the EMAsystem was discussed, and the optimum gear ratio was determined. Also, theparameters design and selection of servo motor and harmonic drive trismission were introduced emphatically. In addition, the structure and its improved structure of theEMA system was designed. Among them, the dynamic simulation of the keystructural parts was implemented, and the anlysis results indicate that the designmeets the design requirements.
To resolve the problems caused by friction and backlash, the methods of frictionand backlash identification and compensation were put forword. For the PI controlsystem with position loop and speed loop, the mathematical models based on LuGrefriction and hysteresis backlash were built; According to the identified nonlinearitymodels, the friction was compensated though feed-forward compensation, and thebacklash was done simultaneously though inverse model compensation as well. Theexperimental results show that the maximum position tracking error of the EMAsystem after compensation decreases from0.166°to0.096°, and the maximum speedtracking error decreases from2.723rpm to0.393rpm. It’s concluded that the frictionand backlash models can be accurately obtained by the proposed identificationmethods, and the tracking accuracy of the EMA system can be improved throughnonlinearity compensation on the basis of the proposed models.
In order to improve further tracking precision, Multiple Sliding Mode Control(MSMC) strategy for the EMA system was studied. The mathematical model of theEMA multistage series systems was established, according to the model the MSMCcontroller was designed, and the RBF neural network was used to adaptive approachthe nonlinear factors, which overcame the dithering problem inevitably existed intraditional sliding mode control. By comparing the simulation results of the MSMCmethod and the method of PI control with compensation, it can be found that thenonlinear factors can be suppressed better by the MSMC method, and the EMAsystem performances can be further improved.
Finally, a co-simulation between mechanism and control was carried out for theEMA system with rigid-flexible coupling based on RecurDyn and Matlab/Simulink.The control block diagram was established, and the PI controller parameters were setand optimized by using NCD module combined with optimization function. Then the simulation test for the EMA virtual prototype was executed, and the co-simulationresults satisfied the system requirements. Moreover, the semi-physical simulationplatform of the EMA system was built under the environment of Matlab/xPC. Theexperimental results reveal that, the maximum deflection angle of rudder can be upto±20°, the maximum angular velocity is greater than150°/s, the maximum outputhinge moment can reach15N·m, and the system bandwidth is not less than25Hz, thetracking error is not more than0.1°, which indicates that all the specifications of thedeveloped EMA have reached the general requirements of specifications.
Studies show that the proposed scheme of EMA with harmonic gear drive isfeasible, and the thesis research results has a certain reference value to the furtherstudy and development of EMA with harmonic gear drive in the future work.
引文
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