CN112180979B - 一种速综合多余度舵系统线性化协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种速综合多余度舵系统线性化协同控制方法，针对每条冗余支链存在的电气、机械非线性环节，通过一台或多台控制器控制多台电机协同工作，控制器预先建立状态空间和综合控制输入量到最优控制量分配的映射，在运动控制的动态过程中，控制器首先计算闭环综合控制量，其次实时根据传感器获取舵机中每条冗余支链的运动状态，通过实时动态映射生成每条支链的控制量输入，从而达到减弱甚至消除非线性环节，改善控制稳定性，提高总系统的可靠性的效果，同时总能耗不会显著增加。相比于传统基于模型反解的线性化方法，线性化协同控制策略求解效率高，速度快，可在动态过程中实时进行线性化补偿。

Description

一种速综合多余度舵系统线性化协同控制方法

技术领域

本发明属于伺服控制技术领域，特别是具备多余度冗余且通过速综合输出的电动舵系统的协同控制方法。

背景技术

在高价值飞行器等高动态、高安全可靠性需求的场合，舵机作为飞行控制系统不可缺少的关键执行机构，其性能往往关系到整个飞行器的安危。因此多余度备份技术是提高舵机安全可靠性的有效途径。而在电动多余度舵机领域，根据多条冗余支链的机构耦合方式，可分为力综合多余度电动舵机以及速综合多余度电动舵机。力综合多余度舵机容易做余度，但是余度数量越多，力纷争问题越严重，长时间的内耗会使系统发热问题凸显，限制了在高价值飞行器密闭环境下的使用。而速综合多余度舵机当下的控制方法主要为将冗余支链系统当成多条通道相互独立的闭环系统进行控制，虽然速综合机构解决了力纷争内耗问题，但是其每一条冗余支链的控制非线性却都能传递到舵面输出，当非线性较为明显，如采用受限单极性调制，功率管开通关断电气死区大，静-动摩擦特性差别大时，舵机容易产生极限环抖振现象。传统非线性系统线性化方法采用求解系统方程逆函数的方式进行前馈上的补偿处理，若函数存在非单调、小斜率等特征时，其反解结果存在奇异值，带来控制上的问题。

现有技术中，文献(蒋志宏,朱纪洪.无负载均衡控制的两余度舵机及其非线性补偿控制[J].微电机.2008,41(5):13-16)为了解决低速转矩脉动和补偿机械摩擦与齿隙等带来的非线性问题，提出速度偏置和采用变参数控制器的方法，具有良好的稳态精度、稳定性能。与本发明区别在于：问题不同：该文献主要针对低速下减速器的齿隙、运动合成的机械部分的干摩擦及齿隙等非线性因素双余度进行补偿，本专利主要针对多余度舵机包括高速动态过程的全状态空间内对电气+机械非线性进行补偿手段不同：该文献采用速度偏置与变参数方法，跟随已规划的速度轨迹，主要为反馈控制技术，本专利主要采用最优分配映射协同控制方法，主要为前馈控制技术。效果不同：文章不能消除电气非线性，同时速度偏置存在提高了静耗电流，本文可消除电气+机械上的非线性，同时保证了驱动效率。专利(CN104850036《一种双冗余电动舵机控制系统及方法》)针对速综合双余度电动舵机电流平衡控制算法复杂，存在MCU单点等不足等问题设计了一种可靠性高,控制简单,操作方便的双冗余电动舵机控制系统及方法。与本发明区别在于：解决的问题完全不同，该专利提供了一种较为简单的速综合双余度控制和故障切换方法，不能解决速综合多余度电动舵机非线性问题。专利(CN 102700706《一种双余度舵机系统和控制方法》)针对多余度无刷直流电动舵系统的系统故障与隔离问题，提供了一种驱动装置故障时实时检测故障并隔离的方法，同时能完成舵面位置跟随功能。与本发明区别在于：应用不同：该专利仅针对力综合双余度舵机，本专利针对速综合双余度舵机。解决的问题完全不同，该专利提供了一种实时检测故障并隔离的方法，不能解决速综合多余度电动舵机非线性问题。

因此，速综合多余度伺服系统的线性化处理对于改善其动态控制特性，提高控制稳定性具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为速综合多余度舵系统提供一种速综合多余度舵系统线性化的协同控制方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种速综合多余度舵系统线性化协同控制方法，其实现步骤如下：预先进行系统调试，通过一台或多台控制器控制n台电机协同工作，其中n>1，控制器预先建立状态空间和综合控制量到最优控制量分配的映射，在运动控制的动态过程中，控制器首先计算闭环综合控制量，其次实时根据传感器获取舵机中每条冗余支链的运动状态，通过实时动态映射生成每条支链的控制量输入，使得舵机减弱甚至消除非线性环节的影响，实现输出上的控制系统线性化。

进一步，1)在调试阶段，通过仿真模拟，试验测量等手段对多余度舵系统中每一条冗余支链进行测试，辨识占空比-速度-输出力矩函数特性，将输出力矩分为线性部分与非线性部分：

其中τ_k为实际输出力矩，

为理想线性系统输出力矩，其大小正比于电机电流

为非线性项，k＝1,2,...,n，其中q_k为第k条支链电机转角，由传感器测量获得，u_k为第k条支链控制占空比输入。

进一步，2)求取非线性综合项，表征所有支链的非线性影响项的总和，见下式：

其中R为电机绕组阻值，L为电机绕组电感，α_k为支链系统权重参数，

D＝(d_ij)_n×n为速综合多余度舵系统惯性矩阵的逆阵，h_k为第k条支链从电机到舵面输出的传动比，T_s为系统控制周期。

进一步，3)依据识别的非线性模型，在n条冗余支链形成状态空间

中，求取不同的综合控制量u_s∈[u_min,u_max]下，每条冗余支链控制量的最优分配：

其中

表征舵机所有支链汇合的综合控制量。

进一步，4)根据求解结果，建立状态空间、综合控制量到各余度支链的控制量分配的映射

5)利用多余度舵机冗余输入，输出叠加的特性，完成闭环控制律设计如下

y为舵面位置输出，由传感器直接测量或通过运动学计算获得，p(x)为闭环控制函数。

优选的，如上所述的速综合多余度舵系统，多条冗余支链容许不同的控制量u_k输入，电机及其驱动电路无耦合。

优选的，如上所述的速综合多余度舵系统，容许不同的支链运动状态存在，通过差动机构原理将多台电机的运动无过约束地合成1个通道的运动输出，即

其中h_k为第k条支链从电机到舵面输出的传动比。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

(1)线性化协同控制方法理论可补偿系统电气上和结构上的非线性特征，包含驱动电气系统非线性，结构摩擦非线性，负载系统非线性等，其内部机理不需要预知，凭经验、试验、拟合等手段建立其特征曲线即可，具有良好的通用性和可行性；

(2)速综合多余度舵系统线性化协同控制策略采用映射对系统进行线性化处理，相比于传统基于模型反解的线性化方法，线性化协同控制策略求解效率高，速度快，可在动态过程中实时进行线性化补偿；

(3)相比于单输入单输出系统的线性化策略，多输入单输出系统多输入线性化协同控制策略可利用多解特性避开系统支链中的一些奇异状态如控制死区、电流饱和等；

(4)协同控制量分配过程中，保持了综合控制量不变，当某支链控制量分配较大时，其他支链控制量分配会减小，使得系统线性化后，舵机能耗不会显著增加。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例的速综合多余度舵系统原理图。

图2是本发明实施例的理想线性伺服系统占空比-转速-力矩输出关系。

图3是本发明实施例的实际伺服系统占空比-转速-力矩输出关系。

图4是本发明实施例的速综合多余度舵系统线性化协同控制框图。

图5是本发明实施例的双余度舵机线性化控制分配映射实例。

图6是本发明实施例的控制效果对比实例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方案进行进一步详细说明，以下所述，仅是本发明的实施示例，并非对本发明作任何限制。

速综合多余度电动舵系统构成示例如图1。速综合多余度电动舵系统包含n条冗余支链，n≥2，舵指令输入到各冗余支链的控制器上，控制器采集位置反馈信号，同时互相传输协同控制信号，形成电机控制量，将本支链的控制量转化为PWM占空比驱动信号传递给驱动器。驱动器将驱动信号转化为电机的电压调制信号，电机输出驱动力矩。数条冗余支链的驱动力矩经过速综合减速机构汇合至一条输出轴的驱动力输出。

速度综合机构以差速机构来实现速度综合，常见的差速机构包括行星差动轮系，差动周转轮系等，通过合理的差速机构设计，可实现多输入，单输出的效果，其运动输入和输出之间满足以下关系：

q_k为第k条支链电机转角，y为舵面位置输出，其中h_k为第k条支链从电机到舵面输出的传动比。

对于每一条支链，可以将实际驱动力输出τ_k视为线性系统输出力矩

与非线性项

的叠加，u_k为第k条支链控制占空比输入：

理想情况下，

系统的占空比-转速-力矩输出如图2，即速度一定时，占空比与输出力矩线性相关，负载一定时，占空比与转速线性相关，占空比-转速-力矩为一平面。

而实际情况下，伺服系统存在诸多非线性因素，如轻载下驱动电路电流断续，机构摩擦非线性，驱动电路存在死区等，使得实际伺服系统占空比-转速-力矩关系变为复杂曲面，如图3。

联立速综合多余度舵系统动力学模型，电气系统数学模型与运动学方程如下：

动力学方程：

电气方程：

运动学方程：

其中M＝(m_ij)_n×n为速综合多余度舵系统惯性矩阵，R为电机绕组阻值，L为电机绕组电感，K_e为理想电机反电势系数，K_t为理想电机力矩系数，对式(3)两边乘以惯性矩阵的逆阵D＝M^-1＝(d_ij)_n×n得：

求导得

式(6)乘以[h₁R h₂R … h_nR]^T，加上式(7)乘以[h₁L h₂L … h_nL]^T，式(4)、式(5)代入，利用支链之间的对称性对等式进行化简处理，得到如下等式：

其中

α_k为支链系统权重参数，

D＝(d_ij)_n×n＝M^-1，

提取上式中的非线性综合项如下：

T_s为系统控制周期，

u＝[u₁ u₂ … u_n]^T。利用多余度舵机冗余输入，输出线性叠加的特性，通过不同的占空比输入组合u＝[u₁ u₂ … u_n]^T来使

尽可能小，同时满足支链控制量叠加后等于综合控制量u_s，即：

通过离线训练，当实现

时，则系统的可实现完全线性化，式(8)可化为下式：

通过拉普拉斯变换，可得到其输出与输出综合项的传递函数为常规二阶线性系统：

利用式(11)的求解结果，定义状态、综合控制量至每个支链输入的映射：

利用映射，设计速综合多余度舵机线性化协同控制系统如图5，首先通过闭环控制器，计算当前时刻舵轴跟随指令的控制量，作为综合控制量u_s，建立包含式(10)映射的线性化协同控制器，采集状态量，实现不同支链的控制量u₁,u₂,...u_n的分配。在每条支链输出力都受到自身非线性项

的影响，但是经过速综合差动机构综合至输出后，这些非线性项相互抵消，仅留下线性部分，实现系统的线性化。

目前工程上常用的情况为多台同样的控制器分离式独立控制，或单台控制器均分控制量，其本质均为将控制量均分到每一台电机上，每一条冗余支链系统为非线性系统时，叠加后仍然是非线性的，对于控制带来了困难。以双余度速综合舵机为例，建立线性化控制映射如图5。若不进行线性化处理，对舵机综合控制量均分至两条支链上，舵机跟随正弦信号时发生了抖振现象，如图6(a)；而加上线性化协同控制器后，在不改变闭环控制器的情况下，使系统输出回归稳定，如图6(b)，系统输出跟随光滑无抖振。

Claims (3)

1.一种速综合多余度舵系统线性化协同控制方法，其特征在于：

在调试阶段，预先进行系统调试，通过一台或多台控制器控制n台电机协同工作，其中n＞1；

所述控制器预先建立状态空间和综合控制量到最优控制量分配的映射，在运动控制的动态过程中，控制器首先计算闭环综合控制量，其次实时根据传感器获取舵机中每条冗余支链的运动状态，通过实时动态映射生成每条支链的控制量输入，使得舵机减弱甚至消除非线性环节的影响，实现输出上的控制系统线性化；

在调试阶段，通过仿真模拟，试验测量对多余度舵系统中每一条冗余支链进行测试，辨识占空比-速度-输出力矩函数特性，将输出力矩分为线性部分与非线性部分：

其中τ_k为实际输出力矩，

为理想线性系统输出力矩，其大小正比于电机电流

为非线性项，k＝1，2，...，n，其中q_k为第k条支链电机转角，由传感器测量获得，u_k为第k条支链控制占空比输入；

求取非线性综合项，表征所有支链的非线性影响项的总和，见下式：

其中R为电机绕组阻值，L为电机绕组电感，α_k为支链系统权重参数，

D＝(d_ij)_n×n为速综合多余度舵系统惯性矩阵的逆阵，h_k为第k条支链从电机到舵面输出的传动比，T_s为系统控制周期；

依据识别的非线性模型，在n条冗余支链形成状态空间

中，求取不同的综合控制量u_s∈[u_min，u_max]下，每条冗余支链控制量的最优分配：

其中

表征舵机所有支链汇合的综合控制量；

根据求解结果，建立状态空间、综合控制量到各余度支链的控制量分配的映射；

利用多余度舵机冗余输入，输出叠加的特性，完成闭环控制律设计如下：

y为舵面位置输出，由传感器直接测量或通过运动学计算获得，p(x)为闭环控制函数。

2.根据权利要求1所述的一种速综合多余度舵系统线性化协同控制方法，其特征在于，多条冗余支链容许不同的控制量u_k输入，电机及其驱动电路无耦合。

3.根据权利要求2所述的一种速综合多余度舵系统线性化协同控制方法，其特征在于，容许不同的支链运动状态存在，通过差动机构原理将多台电机的运动无过约束地合成1个通道的运动输出，即

其中h_k为第k条支链从电机到舵面输出的传动比。

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