【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及制导炮弹电动舵机非线性多体动力学建模与控制，具体是一种基于fasn-pid算法的电动舵机非线性系统及其控制方法。
技术介绍
1、随着现代工业、国防科技的飞速发展，对伺服系统的动静态性能要求越来越高，电动舵机作为制导炮弹控制系统的重要组成部分与关键执行机构，其性能直接决定着制导炮弹飞行过程的动态品质和打击精度。利用操纵弹药舵片、翼面或改变发动机推力矢量产生控制力，从而控制和稳定弹药的装置统称为舵机系统。并且，随着稀土永磁材料的开发利用、伺服技术的发展、电力电子技术的进步以及处理器芯片性能的不断提高，电动舵机克服了液压舵机和气动舵机结构复杂、维护不便等缺点，采用新型弹载电池为能源，具有结构简单、体积小、输出力矩大、调速性能好、可靠性高、易于控制等优点，逐渐成为了舵机系统研究领域的重点。目前，电动舵机的发展主流是：采用无刷直流电机作为驱动、结合智能控制算法，实现电动舵机的快速度、高精度、稳定与鲁棒性控制。
2、常规建模方法中，一般假设电动舵机为没有阻尼或延迟的线性弹簧，其刚度为一常数。然而，在电动舵机传动机构中存在着诸如摩擦、齿隙、阻尼等非线性环节，使得伺服系统稳态时易出现静差或极限环振荡，低速时出现“爬行”现象，严重影响系统的动静态特性。且传统pid算法控制精度低、响应速度慢、超调量大，其对舵面位置运动的控制效果差。因此需设计一种电动舵机非线性系统，在考虑电动舵机传动机构各种非线性因素的同时，提高对电动舵机系统的响应速度与控制精度，同时还需实现电机的正反转控制。
技术实现思路b>
1、针对常规控制方法中未考虑系统内部多非线性因素扰动，传统pid算法控制精度低、响应速度慢、超调量大，以及无法实现电机的正、反转自动控制等问题，本专利技术提供了一种基于fasn-pid算法的电动舵机非线性控制系统及其控制方法，其中位置环基于经模糊逻辑算法优化后增益系数k的sn-pid算法对无刷直流电机的转速进行逻辑控制，这样舵面位置运动具有更快的响应速度以及更稳定的运动状态，同样也更加接近于参考设定位置，跟踪效果更加优越，从而提高了电动舵机系统的响应速度与控制精度。
2、本专利技术采取的技术方案是：
3、一种基于fasn-pid算法的电动舵机非线性系统，包括主控制器、pwm调制单元、直流电源、逆变器、无刷直流电机、齿轮减速器、电机正反转逻辑换相单元、舵面位置检测模块、电流检测模块、符号判别模块、电机转速检测单元；
4、所述直流电源作为所述控制系统的电源供给，通过逆变器与无刷直流电机连接，所述无刷直流电机通过减速器与舵面相连，电机正反转逻辑换相单元用于对电机的旋转方向进行调制；
5、所述电机转速检测模块用于检测直流无刷电机的转速，所述舵面位置检测模块用于检测舵面的角位移，电流检测模块用于检测电机母线的电流大小，符号判别模块用于判别电机母线的电流方向；
6、所述主控制器内置有位置环、转速环和电流环三个闭环控制逻辑，其中，所述位置环根据舵面位置检测模块检测到的舵面的角位移，基于经模糊逻辑算法优化后增益系数k的sn-pid算法对无刷直流电机的转速进行逻辑控制，并输出电机目标转速n*；所述速度环根据电机转速检测模块检测无刷直流电机的转速，输出电流环目标值c*；所述电流环根据速度环输出的无刷直流电机的目标电流值c*以及电机母线电流c对母线电流进行逻辑控制；
7、所述pwm调制单元用于对电流环输出控制信号进行调制；电机正反转逻辑换相单元通过检测目标电流c*的正负，进而结合符号判别模块，决定电机的正、反转换相逻辑。
8、进一步的，所述舵面位置检测模块为角位移传感器。
9、进一步的，所述无刷直流电机的相电压为：
10、
11、式(1)中，ua、ub、uc分别表示a、b、c绕组的三相电压，r为相电阻，ia、ib和ic分别为三相电流，l为三相绕组自感，m为三相绕组间互感，ea、eb和ec分别为三相反电动势；
12、无刷直流电机的电磁转矩tem为：
13、tem＝(eaia+ebib+ecic)/ωm (2)
14、式(2)中，ωm表示电机的机械角速度；
15、无刷直流电机的动力学方程为：
16、
17、式(3)中，tl表示电机的负载转矩，jm表示电机的转动惯量，bm表示电机的粘滞阻尼系数，d/dt表示微分算子。
18、进一步的，在位置环中引入描述齿轮间齿隙的近似死区函数对目标转速n*进行修正，所述齿轮间齿隙的近似死区函数为：
19、
20、式中，a>0，r>0为待定参数，2α表示齿隙宽度，z表示主、从动齿轮的相对角位移，z为z＝θ1-i·θ2，θ1和θ2分别表示主、从动轮的角位移，i表示齿轮传动比；
21、所述近似死区函数用于表示齿轮传动主、从动轮间的齿隙环节，主、从动轮之间的传递力矩τ为：τ＝k·f*(z)。
22、进一步的，在位置环中引入描述减速器输出轴与舵面间的非线性摩擦的lugre摩擦模型对目标转速n*进行修正；舵面受到的气动铰链力矩th为：
23、th＝h·θs (8)
24、式(8)中，th表示气动铰链力矩，且h＝thmax/θsmax，thmax为最大气动铰链力矩，θsmax为最大舵面位置，θs表示舵面偏转角；
25、lugre摩擦非线性模型为：
26、
27、式(9)为接触表面鬃毛平均变形动力学方程，式中ξ表示鬃毛平均变形量，ωl表示舵面角速度，非线性函数g(ωl)>0表示摩擦效应；利用式(9)计算鬃毛平均变形量；
28、式(10)中σ0表示鬃毛刚度系数，fc表示coulomb摩擦力矩，fs表示最大静摩擦力矩，vs表示stribeck速度，e表示指数函数项；
29、式(11)中ff表示摩擦力矩，σ1表示鬃毛阻尼系数，σ2表示粘性摩擦系数；
30、根据式(10)、(11)计算鬃毛的lugre摩擦力矩。
31、进一步的，所述位置环中sn-pid算法中采用有监督的hebb学习规则对归一化权值系数ω′i(k)进行在线调整，考虑了权重系数与神经元输入、输出和输出偏差间的关系，表达式为：
32、
33、式(19)中，x1(k)、x2(k)、x3(k)为神经元学习控制所需的状态量，ηp、ηi、ηd分别为比例、积分、微分系数的学习速率，z(k)表示性能指标或递进信号，此处取z(k)＝e(k)，ωi(k)为归一化权值；
34、对sn-pid算法的权值系数校正部分优化后的学习算法为：
35、
36、进一步的，所述位置环中的模糊逻辑算法包括模糊化、数据库、规则库、推理机和解模糊化；
37、模糊化过程中设定控制器输入为舵面位置的偏差e和偏差变化率ec＝de/dt，论域范围为[-6,6]，量化等级为13，模糊集合论域本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于FASN-PID算法的电动舵机非线性控制系统，其特征在于：包括主控制器、PWM调制单元、直流电源、逆变器、无刷直流电机、齿轮减速器、电机正反转逻辑换相单元、舵面位置检测模块、电流检测模块、符号判别模块、电机转速检测单元；
2.根据权利要求1所述的基于FASN-PID算法的电动舵机非线性系统，其特征在于，所述舵面位置检测模块为角位移传感器。
3.根据权利要求1所述的基于FASN-PID算法的电动舵机非线性系统，其特征在于，所述无刷直流电机的相电压为：
4.根据权利要求1所述的基于FASN-PID算法的电动舵机非线性系统，其特征在于，在位置环中引入描述齿轮间齿隙的近似死区函数对目标转速n*进行修正，所述齿轮间齿隙的近似死区函数为：
5.根据权利要求1所述的基于FASN-PID算法的电动舵机非线性系统，其特征在于，在位置环中引入描述减速器输出轴与舵面间的非线性摩擦的LuGre摩擦模型对目标转速n*进行修正；舵面受到的气动铰链力矩Th为：
6.根据权利要求1所述的基于FASN-PID算法的电动舵机非线性系统，其特征在
7.根据权利要求6所述的基于FASN-PID算法的电动舵机非线性系统，其特征在于，所述位置环中的模糊逻辑算法包括模糊化、数据库、规则库、推理机和解模糊化；
8.根据权利要求7所述的基于FASN-PID算法的电动舵机非线性系统，其特征在于，假设系统偏差e的模糊子集论域为{-n,-n+1,…,0,…,n-1,n}，偏差变化率ec的模糊子集论域为{-m,-m+1,…,0,…,m-1,m}，偏差e对应的量化因子Ke与偏差变化率ec对应的量化因子Kc分别表示为：
9.基于权利要求1-8任一项所述的基于FASN-PID算法的电动舵机非线性系统的控制方法，其特征在于：在舵机运行过程中，所述电机转速检测模块实时检测无刷直流电机的转速n，所述舵面位置检测模块实时检测舵面的角度位置，电流检测模块实时检测电机母线的电流大小；当舵面的发生角位移产生偏转角θs时：
...【技术特征摘要】
1.一种基于fasn-pid算法的电动舵机非线性控制系统，其特征在于：包括主控制器、pwm调制单元、直流电源、逆变器、无刷直流电机、齿轮减速器、电机正反转逻辑换相单元、舵面位置检测模块、电流检测模块、符号判别模块、电机转速检测单元；
2.根据权利要求1所述的基于fasn-pid算法的电动舵机非线性系统，其特征在于，所述舵面位置检测模块为角位移传感器。
3.根据权利要求1所述的基于fasn-pid算法的电动舵机非线性系统，其特征在于，所述无刷直流电机的相电压为：
4.根据权利要求1所述的基于fasn-pid算法的电动舵机非线性系统，其特征在于，在位置环中引入描述齿轮间齿隙的近似死区函数对目标转速n*进行修正，所述齿轮间齿隙的近似死区函数为：
5.根据权利要求1所述的基于fasn-pid算法的电动舵机非线性系统，其特征在于，在位置环中引入描述减速器输出轴与舵面间的非线性摩擦的lugre摩擦模型对目标转速n*进行修正；舵面受到的气动铰链力矩th为：
6.根据权利要求1所述的基于fasn-pid算法的电动舵机...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹洪桥，管军，卯昌杰，陈志辉，叶双慧，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：
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