[发明专利]一种基于非线性变结构的电动舵机设计方法

说明书

本发明公开了一种基于非线性变结构的电动舵机设计方法，首先测量舵机角位置信号与角速度信号，构造误差信号与误差微分信号，设计非线性滑模面的第一项，构造非线性终端函数项，组成非线性滑模面的第二项，构造类柔化函数项，组成非线性滑模面的第三项，构造非线性滑模面的第四项，最终组成非线性变结构控制的滑模面，设计舵机非线性变结构控制律，对电动舵机的建模；通过不断调整控制参数，使得整个电动舵机系统具有满意的快速性。本发明的有益效果是提高了电动舵机的反应速度，从而特别适合应用于高超声速飞行器等快速运动体控制的执行机构。

技术领域

本发明属于高超声速飞行器控制领域，涉及一种基于非线性变结构的电动舵机设计方法。

背景技术

随着飞行器速度的增加，尤其是高超声速飞行器控制技术的发展，其对执行机构快速性的要求越来越高。电动舵机是其中应有非常广泛的一类执行机构，其快速性的好坏决定着整个高超声速控制系统的品质。传统的PID控制器很早就被应用于电动舵机系统的设计，其由于采用线性控制技术而具有成熟可靠的优点，因此广受工程欢迎。但其设计在快速性上也过于保守，因此在近年来不断有研究者尝试采用非线性控制的手段，进行一些快速反应舵机的设计。本文通过引入非线性滑模面，设计了一类新颖的快速反应电动舵机，其不仅在理论上具有很强的新颖性，同时在工程上也具有很好的实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非线性变结构的电动舵机设计方法，解决了传统的线性PID控制器在快速响应性上已经不适合应用于高超声速飞行器等快速运动体控制执行机构的问题。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

步骤一：测量舵机角位置信号与角速度信号，其中角位置信号记为y，角速度信号记为

步骤二：构造误差信号e与误差微分信号其中，e＝r-y，r为舵机输入指令信号；

步骤三：非线性滑模面的构造；设计非线性滑模面的第一项：s₁＝c₁e，其中c₁为正的参数；

构造非线性终端函数项，组成非线性滑模面的第二项：s₂＝c₂e^1/3，其中c₂为正的参数；

构造类柔化函数项，组成非线性滑模面的第三项：，其中c₃为正的参数；

构造非线性滑模面的第四项：

根据上述四项，组成非线性变结构控制的滑模面s：s＝s₁+s₂+s₃+s₄；

步骤四：电动舵机非线性变结构控制律的设计；设计舵机非线性变结构控制律：u＝u_eq+u₁+u₂

其中u_eq为等效函数项，其设计如下：

其中T为舵机模型中的惯性时间常数；

u₁为大增益滑模面项：u₁＝Tk_as，k_a为正的控制系数；

u₂为类柔化函数滑模项：k_b为正的控制系数；

步骤五：电动舵机的建模；采用如下微分方程建模：

y_a为舵机的转动角速度；