多电飞机机电作动伺服系统控制策略的研究

屈斌 李晓峥 万迪

摘 要：多电飞机机电作动伺服系统具有动态性特征，有着高阶非线性的特点，对系统进行控制时，应当满足精度的要求，基于此，提出了反演控制方法，這种控制方法利用了障碍Lyapunov函数，同时还运用了切换滑模控制方法。针对齿隙非线性进行反演控制时，设计了一种全新的终端滑模控制器，这种控制器具有更强的鲁棒性和更高的控制精度。

关键词：多电飞机;机电作动;伺服系统;控制

前言

多电飞机是重要的飞行交通工具，也是重要的飞行作战工具，要想让飞机在空中飞行，必须要提供飞行动力，机电系统、电气系统和其他几个系统都可以提供动力，要想对飞机进行控制，必须要对机电作动伺服系统进行设计，在电动舵机伺服系统的作用下，飞机能够被精确控制，为了更好地进行控制，应当对电动舵机控制技术进行优化，进一步提高伺服控制的精确性。

1 电动舵机系统的反演控制

1.1利用障碍Lyapunov函数方法进行反演控制

Lyapunov函数（CLF）能够判断出系统是否稳定，可以利用CLF对系统控制器进行设计和分析。目前，对伺服系统控制的研究都是以CLF存在为前提的，没有一种通用的方法能够对非线性系统进行控制。反演控制方法能够得到虚拟控制量，让系统满足分项CLF的需求，系统可以进行反演递推，通过这种方法得到整个系统的CLF，同时还能够得到反馈控制率。这种方法不仅运用了CLF的构造，还加入了振动控制率，将两者相互融合之后，就能够让系统更加完善，实现了自适应控制，确保电动舵机系统能够在严格反馈系统中使用，也能够在纯反馈系统中运用，保证电动舵机系统的闭环稳定性。

反演控制具有非常多的优点，反演控制能够让控制设计更加规范和灵活，可以更好地对高阶非线性系统进行控制，利用虚拟控制器和分项CLF提高机电作动伺服系统的运动品质，当系统中出现非匹配不确定的情况时，反演控制能够及时分析和解决这个问题。伺服系统有较多非线性的部分，过去的控制技术必须要注意增长性约束条件，而反演控制打破了这个限制，能够对很多细节部分进行控制。但是反演控制经常会出现计算膨胀的情况，可以利用动态面控制进行优化，删除过去的求导过程，在相同的部位引入动态方程，让控制率更加简单[1]。

1.2利用电动舵机系统输出约束进行反演控制

在电动舵机系统控制器的设计中，要明确设计的主要目的，确保舵面能够按照定位进行追踪，避免电动舵机伺服系统出现故障，在控制器的作用下保证系统稳定运行。系统结构运用了余度结构，由三个部分组成，第一个部分是位置控制器，第二个部分是驱动器，第三个部分是PMSM电机。系统运用了差动周转轮，对电动舵机系统驱动轴的机械运动进行综合和简化，在运动的时候，让系统的转数更低，让运动的扭矩更高，在传动链的运动中，舵面的收放动作将会变得更加自然。反演控制能够简化设计的流程，在确定Lyapunov函数的时候，能够同时对系统控制器进行设计，将整个系统划分为几个子系统，之后就可以对子系统进行控制量和CLF的设计。在控制率和振动控制器的设计中，可以运用逐层修正算法，在更大的范围中进行调整和跟踪。为了减小稳态误差，可以将积分项应用到虚拟控制中，在确定函数的时候选择BLF。在电动舵机系统输出约束的仿真研究中，舵面能够围绕输出轴进行运动，运动轨迹与正弦运动的轨迹非常相似，符合设计的预期，舵面位置的控制也非常精确，在运动控制中没有出现过大的超调量，运动的速度比较快，转角部分的误差没有超出预定的范围。

1.3对电动舵机系统进行反演滑模切换控制

在电动舵机系统控制器的设计中，应当注意全局收敛性的情况，很多方法都无法彻底解决这一问题，可以利用反演滑模切换控制方法，这种控制方法更加简单，滑模控制能够对全局收敛性进行控制，把约束量控制在收敛域的范围内。在飞机机电作动伺服系统的控制设计中运用滑模切换控制的方法，能够让舵面运动摆脱初始条件的束缚，无论最开始处于哪种初始条件中，都能够调整系统的运动状态，更加精确地进行控制。经过仿真模拟，证明了系统可以将误差控制在一定的范围内，在消除稳态误差方面具有非常好的效果，舵机系统能够在更短的时间内进行动态响应。对系统的抗扰动性进行分析时，用不同的负载方式进行模拟，经过比较，发现本文设计的控制方法能够缩小震荡的幅度，跟踪误差也没有超出设定的范围，在电流信号曲线的分析中，证明了系统能够对超调量进行控制，避免超调量超出预定的范围，利用反演滑模切换控制进行优化设计后，电动舵机系统的控制也变得更加精确，系统能够更好地控制超调量[2]。

2 电动舵机系统齿隙补偿控制

2.1终端滑模控制

滑模控制是一种非线性的控制方法，这种控制方法实现了非连续性控制，系统可以随时进行切换，发挥不同的控制作用，让电动舵机系统按照设计好的轨迹进行运动。系统的运动轨迹相对独立，不会受到外界环境的干扰，也不会受到内部参数的影响，所以滑模控制有着非常好的鲁棒性。早期的研究中，一般会采用线性滑模的控制方式，虽然线性滑模控制能够保证系统的稳定性，但是会严重影响系统运动的速度，系统经常会偏离设计的轨迹。在滑模面的优化设计中，应入了神经网络的相关知识，在设计的过程中使用了吸引子函数，引入了非线性项，这种滑模控制方法就是终端滑模控制，能够更好地缩小跟踪误差，甚至可以将误差收敛为零。这种方法的精确性和鲁棒性都比较强，而且响应的速度也比较快，运算比较简单，需要进行计算的数值较少，在伺服系统中发挥着重要的作用。

2.2无抖振滑模控制

滑模控制有着不连续开关的特点，系统在运动的过程中很容易出现抖振的情况，虽然系统运动必然伴随着抖振现象，但是可以在系统的优化设计中减弱抖振，对抖振的幅度进行控制，通常会使用以下三种方法：第一，可以使用边界层的方法控制抖振，删除原本的开关函数，用饱和函数进行代替，也可以使用终端吸引子进行代替，新的函数具有较强的适应性，在各种滑模控制系统中都能够呈现很好的效果。第二，可以使用“Chattering Attenuation”方法削弱抖振，这种算法能够保证控制量练的连续性和滑模面的连续性，但是该算法需要更多的滑模面，会增加收敛的时长。第三，高阶滑模算法，这种算法会受到系统特性的影响，运算的过程比较复杂。

降低切换项增益有利于削弱抖振，可以使用以下几种方法：第一，利用自适应调节增益进行控制，缩小系统抖振的幅度。第二，利用干扰观测器进行控制，非匹配复合干扰一般都是未知的，而且很难确定上界，如果切换增益过大，就会影响滑模控制的效果。使用干扰观测器之后，能够得到更加准确的干扰估值，根据干扰估值增加补偿项，以此来降低切换项增益，减弱抖振。第三，利用多面化膜进行控制，多面滑模需要对滑模面的斜率进行设计，增强系统的稳定性和高效性。第四，在系统设计中应用趋近律的方法，趋近律包含多种方法，如幂次趋近律以及指数趋近律。

结论：

本文设计的电动舵机系统控制方法能够让系统的响应更加快速，让系统具有更强的抗扰动性和控制精度，切换控制方法打破了初始条件的束缚，系统能够在各种初始条件中进行运动，对于未知干扰，系统控制的函数设计中运用了积分项，能够让系统更加稳定，让控制更加精确。

参考文献：

[1]张卓然，许彦武，于立，等.多电飞机高压直流并联供电系统发展现状与关键技术[J].航空学报，2021，42（06）：12-25.

[2]孟繁鑫，王瑞琪，高赞军，等.多电飞机电动环境控制系统关键技术研究[J].航空科学技术，2018，29（02）：1-8.