[发明专利]一种提高大惯量舵系统频率特性的控制方法和装置

说明书

本发明涉及一种提高大惯量舵系统频率特性的控制方法和装置，属于飞行器控制技术领域，解决了现有方法通过大电机或增大减速比使电机的转动惯量与舵面负载的转动惯量相匹配，导致舵系统的体积和重量的增加而无法满足高速飞行器需求的问题。该方法包括：判定舵系统是否进行快速运动；当舵系统进行快速运动时，通过轨迹预测确定舵系统处于正常跟踪状态还是处于滞后跟踪状态；当舵系统处于滞后跟踪状态时，预测滞后误差量；以及根据轨迹预测和滞后误差量，动态增强控制参数以提升舵系统带宽。在不改变系统硬件的前提下，通过采取轨迹预测、动态增强的控制算法，实现大惯量舵系统的频率特性提升，满足高空高速飞行器对舵系统快响应、高带宽的要求。

技术领域

本发明涉及飞行器控制技术领域，尤其涉及一种提高大惯量舵系统频率特性的控制方法和装置。

背景技术

舵系统系统(以下简称“舵系统”)是飞行器控制系统中重要的组成部分之一，是飞行控制系统的执行机构，其性能好坏决定了飞行过程的动态品质。随着飞行器朝着速度更快、机动能力更强、飞行时间更长、飞行环境更加复杂的方向发展，对舵系统的性能需求越来越高，尤其是随着飞行高度越来越高、飞行距离越来越长，在大机动、低动压的情况下，为了获得较大的舵效，满足飞行器机动性要求，使得舵面较大，为了实现快速机动，要求舵系统在大惯量负载下具有小型化、高频带的特点。

性能优良的舵系统应具有快响应、小超调的特点，系统的瞬态和稳态性能受到系统阻尼、固有频率、增益以及负载转动惯量的影响。早期在舵系统性能要求不高的情况下，为了简化问题和便于控制器设计，大惯量负载因素经常被忽略，但随着飞行器性能的不断提升、舵系统响应速度不断增大，负载转动惯量不能再被忽略。因为传动系统的柔性变形，对快速、往复运动的舵系统的影响很大，舵系统不再是刚性的、而是柔性的。较大的负载转动惯量，使舵系统运行过程中状态不会发生突变，导致舵系统启动和制动阶段控制难度较大、频带较低，限制了在大机动飞行器上的应用。在启动阶段，尤其是从静态到动态的响应时间长，在动态跟踪指令过程中有较大的滞后。在制动阶段，在阶跃动作快速运行时，系统运行动能大，在接近指令、舵系统制动时，储存的动能较大，产生的超调较大、振荡加剧、性能下降。因此舵系统的高频带和大惯量负载成为矛盾，如果想加快系统响应速度、提高系统频带，势必会使超调变大、振荡加剧、稳定裕度下降甚至系统发散，而这是飞行器不期望看到了。

传统的方法是使用较大的电机或者增大舵系统减速比，使电机的转动惯量与舵面负载的转动惯量相匹配，这都增加了舵系统的体积和重量，对于一般的伺服系统是可行的，但不能满足导弹等对体积、重量要求较高的场合。

高空高速飞行器为了获得较高的舵效，往往采用较大惯量的舵面，在大机动动作过程中，由于传动系统的柔性变形，舵系统不再是刚性的、而是柔性的，加大了舵系统响应时间，降低了系统带宽，不能满足飞行器大机动的需求。

一般情况下，衡量舵系统性能最主要的标志是稳态跟踪误差，稳态跟踪误差越小，表明系统的跟踪精度越高，在舵系统的实际控制过程中，传统的PID、模糊PID等算法是基于实时误差的控制，控制参数Kp、Ki、Kd的取值取决于当前误差，为了确保系统稳定，尤其是确保舵系统动作时有较小的超调、较短的调整时间，在小误差时控制参数都较小，但当指令信号快速变化时，较小的误差，导致输出控制量较小，在动态跟踪指令过程中舵系统有较大的滞后。如果仅靠增大控制量提升系统带宽，势必会使舵系统超调变大、振荡加剧、稳定性下降。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种提高大惯量舵系统频率特性的控制方法，用以解决现有方法通过大电机或增大减速比使电机的转动惯量与舵面负载的转动惯量相匹配，导致舵系统的体积和重量的增加而无法满足高速飞行器需求的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种提高大惯量舵系统频率特性的控制方法，包括：判定所述舵系统是否进行快速运动；当所述舵系统进行快速运动时，通过轨迹预测确定所述舵系统处于正常跟踪状态还是处于滞后跟踪状态；当所述舵系统处于所述滞后跟踪状态时，预测滞后误差量；以及根据所述轨迹预测和所述滞后误差量，动态增强控制参数以提升所述舵系统带宽。