【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机电作动系统控制算法领域，具体为一种基于复合控制的机电作动系统非线性因素补偿方法。
技术介绍
1、随着国内外航空航天学科的不断发展以及国家和社会需求的不断增长，无论是军机还是民机都对飞行器的舵面控制提出了更高的要求，在满足更快、更准的同时还需满足运行稳定性。从作动器方面来说，传统的舵面传动系统一般采用液压作动器(hydraulicactuator，ha)或电静液作动器(electro-hydrostaticactuator，eha)进行驱动，液压作动器具有大功率、响应速度快以及功率密度高等优点，然而液压作动器的体积大、重量大、油路易泄露且维护繁琐等因素，导致液压作动器的可靠性降低，从而影响整个舵面传动系统的稳定性和可维护性。随着未来飞行器全电化的发展趋势，使用“无漏液，高传动效率，维护方便”的机电作动器(electro-mechanicalactuator，ema)应运而生。如今ema已广泛应用在飞机舵面、大型精密机床、医疗器械等高性能工业领域。以飞行器舵面控制系统为例，作为一个典型的机电作动系统，其一般由作动器、传动机构和执行机构组成，机电作动系统的性能直接决定了飞行器姿态控制的稳定性和精准度，因此针对飞行器传动系统开展精确稳定控制研究具有十分重要的意义。
2、由于在机电作动系统中后续的传动机构里，会存在连杆、摇臂、轴销等零部件，摩擦、间隙以及参数扰动等非线性因素不可避免地对高精度控制带来影响，为了满足机电作动系统更为精准的控制要求，将这些非线性因素纳入控制对象中并对其进行建模和补偿对提高机电作动系统
3、针对于单一的控制算法无法有效抑制由非线性因素带给系统的影响，面对外部扰动鲁棒性不足，难以保证不同工况下的控制性能等问题；结合现有技术中永磁同步电机(permanentmagnet synchronous motor，pmsm)控制方法的不足，主要存在以下问题：
4、1.对非线性因素的抑制能力差。机电作动系统中包含多种非线性因素，如摩擦、间隙、死区等，单一的控制算法难以有效抑制这些非线性因素对系统的影响。
5、2.鲁棒性不足。对于机电作动系统而言，单一的控制算法在面对外部扰动或者参数变化时，会导致系统的性能下降甚至失稳。
6、3.控制效率及控制性能不佳。不同的控制算法在不同工况下可能表现出不同的优势，单一的控制算法难以兼顾系统在不同工况下的效率和性能。
技术实现思路
1、针对以上问题，本专利技术提出一种基于复合控制的机电作动系统非线性因素补偿方法。非线性因素补偿复合控制算法的技术主要集中在对伺服电机的控制上，包括对电流环、转速环及位置环的改进提升，在三闭环矢量控制的基础上，在转速环上应用滑模控制，同时在位置环上应用自抗扰控制，从而实现滑模控制算法与自抗扰控制算法的复合控制算法设计，相对于单一的pid控制算法，滑模自抗扰复合控制算法更为复杂，在满足系统原有的控制效果的基础上能实现对非线性因素所带来的不利影响进行补偿，从而保证对整个机电作动系统性能的提升。
2、本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案的具体步骤为：
3、步骤一，首先建立永磁同步电机矢量控制模型、行星滚柱丝杠模型和摇臂-连杆机构系统模型；在adams中，将永磁同步电机矢量控制模型、行星滚柱丝杠模型和摇臂-连杆机构系统模型相互连接构建机电作动系统的整体模型；
4、步骤二，对机电作动系统中的非线性因素进行数学建模并分析动力学影响，先通过solidworks软件对机电作动系统中作动器、作动杆、辅助摇臂、辅助连杆、摇臂、舵轴、舵面和轴承座零部件进行三维建模，将三维模型导入adams中进行动力学的约束和驱动添加；再对机电作动系统中存在的间隙与摩擦两种非线性因素进行动力学模型构建与仿真；
5、步骤三，分析电机控制器中比例积分(proportional-integral，pi)控制的参数整定方法，给出永磁同步电机的转速环与电流环矢量控制参数；针对转速环pi控制进行稳定性优化，使用滑模控制方法替代原有转速环的pi控制，设计并搭建滑模观测器和趋近律；选用线性自抗扰控制(active disturbance rejection control，adrc)进行位置环的控制器设计，并搭建仿真模型与pi进行分析对比，在仿真模型基础上加入前馈控制，并将所搭建的非线性因素数学模型以及得到的动力学仿真结论注入控制模型中，完成非线性因素补偿的复合控制算法模型设计并进行仿真验证；
6、步骤四，进行机电作动系统试验台的搭建并进行实物试验，通过在阶跃、正弦波以及方波跟随试验中施加位置目标指令，对机电作动系统输出位移进行了pid控制和本专利技术设计控制算法的跟随效果比对；对机电作动系统，包括机电作动模块、测试模块、加载模块以及控制模块进行试验台搭建和设计，对试验台进行机械连接调试、电气连接调试和传感器信号调试；进行基于labview的机电作动系统试验台软件设计，对机电作动系统整体控制程序进行开发，搭建上位机界面；最后在阶跃、正弦波以及方波跟随试验中施加位置目标指令，对机电作动器输出位移以及系统最终输出角度进行pid控制和复合控制算法的跟随效果比对。
7、所述步骤一中，永磁同步电机首先连接减速齿轮组，降低转速同时提高转矩，然后通过传动机构中的星滚柱丝杠把旋转运动转化为螺母直线运动，螺母与作动杆连接形成机电作动系统的整体模型；对机电系统中最重要的两个组成部件永磁同步电机和行星滚柱丝建立数学模型，利用park变换对永磁同步电机的数学模型进行解耦；
8、将三相静止坐标系abc轴下的电压和电流转换到旋转坐标系交直轴(dq轴)，坐标轴转换公式为：
9、
10、式中，ud为旋转坐标系下的交轴电压，uq为旋转坐标系下的直轴电压，ua为三相静止坐标系下的a轴电压，ub为三相静止坐标系下的b轴电压，uc为三相静止坐标系下的c轴电压；θ为d轴和a轴的夹角；
11、
12、式中，id为旋转坐标系下的交轴电流，iq为旋转坐标系下的直轴电流；ia为三相静止坐标系下的a轴电流，ib为三相静止坐标系下的b轴电流，ic为三相静止坐标系下的c轴电流；θ为d轴和a轴的夹角。
13、所述步骤二中，针对摩擦模型，选用lugre摩擦模型作为机电作动系统中的摩擦模型，通过弹性刚毛发生接触、变形且产生相对位移来表示摩擦行为；
14、针对间隙模型，选用间隙铰链模型作为机电作动系统中的间隙模型，机电作动系统中的机械结构是通过轴铰链合来实现连接，间隙铰链模型能直观地描述和模拟机械结构间相对运动关系和相对位置变化对机电作动系统稳定性的影响；
15、在adams软件中设置lugre摩擦模型和间隙铰链模型参数建立机电作动系统传动机构动力学仿真模型，根据仿真数据对非线性模型所产生的影响进行定量分析总结。
16、所述步骤三中，进行三闭环控制的参数整定，首先整定电流环的参数，将电机绕组作为本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于复合控制的机电作动系统非线性因素补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于复合控制的机电作动系统非线性因素补偿方法，其特征在于，所述步骤一中，永磁同步电机首先连接减速齿轮组，再通过传动机构中的星滚柱丝杠把旋转运动转化为螺母直线运动，螺母与作动杆连接形成机电作动系统的整体模型，然后对永磁同步电机和行星滚柱丝建立数学模型，利用park变换对永磁同步电机的数学模型进行解耦；
3.根据权利要求1所述的一种基于复合控制的机电作动系统非线性因素补偿方法，其特征在于，所述步骤二中，针对摩擦模型，选用LuGre摩擦模型作为机电作动系统中的摩擦模型，通过弹性刚毛发生接触、变形且产生相对位移来表示摩擦行为；
4.根据权利要求1所述的一种基于复合控制的机电作动系统非线性因素补偿方法，其特征在于，所述步骤三中，对三闭环控制参数进行整定，首先整定电流环的参数，将电机绕组作为串联电路，串联电路包含一个电阻器、一个电感器和一个反电动势电压源；反电动势压降相对于电流变化较为缓慢，将反电动势压视为一个常值；
5.根据权利要求1
...【技术特征摘要】
1.一种基于复合控制的机电作动系统非线性因素补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于复合控制的机电作动系统非线性因素补偿方法，其特征在于，所述步骤一中，永磁同步电机首先连接减速齿轮组，再通过传动机构中的星滚柱丝杠把旋转运动转化为螺母直线运动，螺母与作动杆连接形成机电作动系统的整体模型，然后对永磁同步电机和行星滚柱丝建立数学模型，利用park变换对永磁同步电机的数学模型进行解耦；
3.根据权利要求1所述的一种基于复合控制的机电作动系统非线性因素补偿方法，其特征在于，所述步骤二中，针对摩擦模型，选用lugre摩擦模型作为机电作动系统中的摩擦模型，通过弹性刚毛发生接触、...
【专利技术属性】
技术研发人员：周勇，许金星，张超，马尚君，李霓，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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