[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

说明书

本发明公开了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，所述方法包括如下步骤：步骤一、设计三阶舵机控制器；步骤二、建立三阶舵机模型；步骤三、选择参考模型；步骤四、选择外环控制律；步骤五、建立内环二阶控制模型；步骤六、建立二阶扩张状态观测器并设计状态观测器参数；步骤七、设计非线性滑模律；步骤八、设计信号预处理策略；步骤九、三阶舵机控制。本发明具有响应快速无超调、对参数变化不敏感、鲁棒性较好、控制精度高、抗干扰性强等优点。

技术领域

本发明属于舵机控制技术领域，涉及一种舵机控制方法，具体涉及一种基于参考模型和扰动精确观测补偿的三阶弹用电动舵机控制方法。

背景技术

舵机是导弹重要的控制元件，其控制性能的优劣决定着导弹的控制性能和打击精度。随着军事技术的发展，要求导弹具有更高的打击精度和更优越的控制性能。舵机越来越向高精度、小体积、承载能力强的方向发展，而电动舵机具有成本低、控制系统简单、寿命长等特点，在导弹上得到广泛应用。弹用电动舵机是一个非线性系统，不同飞行环境下工作导致的负载变化较大，具有不确定性和强干扰等特性。实际应用中弹用舵机常采用PID控制器，然而由PID控制器确定的舵机性能受负载及一些非线性因素影响较大，控制过程中会产生超调现象，加之舵机的一些性能指标要求之间相互制约，传统PID控制器难以达到理想的控制效果。为提高导弹在强干扰条件下和不确定环境中的控制精度，并避免超调，从而提高导弹的控制性能，亟需一种能够对扰动进行精确观测并在控制中加以补偿的工程实用舵机控制方法。

基于“扰动能够影响被控输出，其作用反映在被控输出信息中”的思想，可借用观测器的设计思想，将控制过程中的模型不确定部分、内部扰动、外界扰动等各类扰动扩张成新的状态变量，实现对扰动的动态精确观测，再将扰动估计结果引入控制器的设计中，实现控制对象的动态补偿线性化，从而实现扰动精确观测与补偿。

为避免控制超调现象，可为控制设计一个过渡过程，减少初始控制偏差引起的控制量过大，提高控制系统的稳定性、鲁棒性、适应性。一种可行的方法是在控制中引入参考模型，参考模型能够将控制输入指令转化为跟踪参考模型期望输出，能降低系统超调。

此外，舵机模型的选择对控制器的设计也会产生影响。舵机数学模型包括二阶模型和三阶模型，一般舵机控制仿真中常采用二阶舵机模型，二阶模型和三阶模型在低频段和中频段差异较小，在高频段存在较大相位差异。三阶模型相对二阶模型更加精确和接近真实模型，若追求更好的控制品质应采用更为精确的三阶模型进行舵机控制器的设计。

发明内容

针对弹用舵机控制，本发明提供了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。该方法具有响应快速无超调、对参数变化不敏感、鲁棒性较好、控制精度高、抗干扰性强等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

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，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：

式中：为角速度，为角加速度，则x₁＝θ,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为控制量；

步骤三、选择参考模型

选择参考模型形式如下：