[发明专利]基于参考模型和扰动精确观测补偿的三阶舵机控制方法

权利要求书

1.一种基于参考模型和扰动精确观测补偿的三阶舵机控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、设计三阶舵机控制器：

所述三阶舵机控制器采用内外环结构，内环由扩张状态观测器、非线性滑模控制器、三阶舵机模型三部分组成，外环包括参考模型、PD角度控制器；

步骤二、建立三阶舵机模型

从控制输入u到舵偏角θ的三阶舵机模型如下：

式中：为角速度，为角加速度，则K_e为电机反电势系数，τ_m、τ_e分别为舵机机电时间常数与电磁时间常数，i为比例系数，u为控制输入；

步骤三、选择参考模型

选择参考模型的形式如下：

式中：T表示参考模型时间常数，E表示参考模型阻尼系数，s表示拉氏变换中的复数参变量，θ_c为期望舵偏角指令，为参考模型输出；

步骤四、选择外环控制律

外环为角度控制环，控制律采用PD控制律：

式中：K_p为比例控制系数，K_d为微分控制系数，θ_c为期望舵偏角指令，ω为角速度；

步骤五、建立内环二阶控制模型

令角速度跟踪误差为e＝θ_c-θ，那么内环二阶控制模型为：

式中：为角加速度误差，为角速度误差的三阶导数，表示期望角速度，表示期望角加速度，表示期望的角速度三阶导数；

步骤六、建立二阶扩张状态观测器并设计状态观测器参数

针对内环二阶控制模型，建立如下形式二阶扩张状态观测器：

式中：Z₁观测Z₂观测Z₃观测k₁为扩张状态观测器设计参数；

步骤七、设计非线性滑模控制律

内环控制律采用非线性滑模控制律，依次进行滑模面设计和滑模控制律设计，其中：

所采用的滑模面为：

S＝sig(a₁,e)+k₂·a₂·sig(2-1/a₂,Z₂+k₁·sig(a₁,e))/(2a₂-1)；

式中：sig(h,x)＝((abs(x))^h)·sign(x)，a₁、a₂、k₂均为设计参数，Z₂表示观测器输出的观测值；

所采用的控制律形式为：

u＝-inv(B)·(k₁·a₁·G·(phi/k₁+x₂)+a·sig(r₁,S)+b·sig(r₂,S)+Z₃)；

式中：

r₁＞1、r₂＜1分别代表高幂次项和低幂次项，a、b为设计参数；

步骤八、设计信号预处理策略

(1)对外部输入的信号指令进行判断，当本周期信号指令与上一周期信号指令差值大于ζ₁时，认定信号指令出现阶跃，此时对阶跃信号进行斜坡处理，保证信号变化斜率小于ζ₂；

(2)对控制量指令进行硬饱和处理，即仅允许控制量幅值在一定阈值内变化；

步骤九、三阶舵机控制

(1)根据步骤八设计的信号预处理策略，对外部输入信号进行信号预处理；

(2)给定期望舵偏角指令θ_c，将其输入参考模型得到参考模型输出

(3)采用PD控制律进行外环角度控制：根据角位移传感器得到实时舵偏角θ，根据角速度传感器得到实时角速度由控制输入参考指令与实时舵偏角得到实时角度误差由PD控制律得到内环期望角速度

(4)将实时角度误差输入状态观测器，实现对状态量偏差以及对机械间隙、摩擦、温度变化振动引起的扰动的精确观测；

(5)由非线性滑模控制律得到控制量，由外环输出的期望角速度指令和实时角速度得到角速度误差，同时将扰动估计值Z₃和状态观测量Z₂引入非线性滑模控制律，得到舵机控制量u；

(6)每个控制周期重复(1)到(5)，以实现对期望舵偏指令信号的跟踪。