滑模控制改善液压仿真转台低速性能
摘要:针对液压转台中普遍存在的低速不平滑现象,以某半实物仿真转台为对象,设计了滑模变结构控制器,通过在控制器中引入变速趋近律和饱和函数型切换,较好地解决了变结构系统在到达段和滑动段的动态品质问题。仿真验证表明系统具有良好的低速性、鲁棒性和控制精度。
关键词:液压仿真转台;低速跳动;滑模控制
仿真转台是空中武器研制过程中模拟飞行器飞行姿态的重要试验设备,转台的低速性能是评价其整体性能好坏的一项重要指标。在导弹制导回路半实物仿真试验中,如果转台随动系统在低速运动时出现跳动现象,将使装在弹体内的角速度敏感部件感受到一个幅值较大的脉冲式变化信号,该信号经放大后,便会驱动驾驶仪的执行元件跳动式的工作,致使导弹不能准确地跟踪目标,影响系统仿真精度,甚至导致整个飞行模拟试验无法正常进行。所以,半实物仿真转台的低速性问题一直是仿真器研究领域亟待解决的课题之一。本文以某半实物仿真五轴试验台为对象,就伺服系统普遍存在的低速问题展开分析。
该仿真转台是一个典型的随动系统,其中感兴趣的航向通道是具有速度反馈和前馈控制的电液位置伺服系统。针对伺服系统产生低速爬行的原因,多年来,国内外不少学者都进行过程度不同的研究,结论也基本比较一致,即认为引起低速爬行现象的主要因素,是机构中存在着的以摩擦为主的非线性干扰,并且在液压伺服系统中,除了输出轴上的干摩擦以外,伺服阀的分辨率误差和液压马达的摩擦特性,也都会对系统的低速性产生不同程度的影响。
因为对实际转台来说,轴承的摩擦和液压马达的摩擦很难区分开来,在忽略传动轴弹性的情况下,可以将其一并考虑。这样既方便实际数据的测量,也可减轻后面数字仿真的工作量。基于此,我们建立了转台航向通道包含伺服阀分辨率误差(属于游隙非线性)和输出轴摩擦非线性环节的控制系统数学模型(模型详细推导过程从略)。
在MATLAB/SIMULINK下对模型进行仿真,系统输入斜率为0.0144V/s的斜坡信号时的理论输出为0.1°/s(0.0018rad/s),此时,由于非线性环节的作用,响应曲线呈现有弱衰减的正弦波动振荡,且脉动率接近30%,说明此时系统的速度0.1°/s已接近最低平稳速度。图2为系统响应的位置曲线和速度曲线,该曲线和系统实测结果也非常近似。滑模控制是一种非连续控制技术,它是根据系统状态偏移滑模的程度来变更控制器的结构(控制律或控制器参数)从而使系统按照滑动模态规定的规律进行运行的一种控制方法。滑模控制和传统控制相比,可以协调动态和稳态性能之间的矛盾,特别地,其滑动模态对系统参数变化和外部干扰具有完全不变性。由于伺服系统低速不平稳的主要原因就是系统中存在的非线性(摩擦)干扰,所以在液压转台控制中应用滑模变结构控制,一方面可以提高系统抗力矩干扰的能力,从而改善系统的低速平滑性,另一方面也有助于提高伺服系统的整体性能。
由于该转台的数字测量分系统是专门研制的先进传感器件,具有很高的测量精度,并且可以同时测量出角度和角速度,为充分利用系统状态信息,我们采用全部状态坐标构成的控制来实现滑动模态。
变结构控制系统的运动,由正常运动段和滑动模态段组成,两段运动都会影响系统的过渡过程。滑动模态的品质,可由滑动模态微分方程决定,而正常运动段的品质,则要靠选择合适的趋近率来保证。
如果变结构系统控制结构切换具有理想开关特性,则能在切换面上生成滑动模态,滑动模态是降维光滑运动,且渐近趋向原点。但是,当具体实现变结构系统时,理想的开关特性不可能实现,时间上的延迟和空间上的滞后等,使滑动模态呈现抖动形式,在光滑的滑动面上叠加了自振。实践中采用具有准滑动模态的控制系统可收到一定的效果。所谓准滑动模态,是指系统的运动轨迹被限制在理想滑动模态的某邻域内的模态。
根据前面推导的转台航向通道液压位置伺服系统的变结构控制规律,为检验设计的合理性,我们进行了低速问题的仿真验证,同时,也考察了变结构系统的抗摄动和抗干扰能力。在MATLAB/SIMULINK下,对图4的模型进行仿真,系统仍然输入斜率为0.0144V/s的斜坡信号(对应理论输出为0.1°/s),图5为系统的位置跟踪曲线和速度阶跃响应曲线,显示出系统的速度在0.1°/s的情况下已相当平稳,速度脉动率数值控制在3%以内,经进一步验证,该系统最低平稳速度可以达到0.01°/s,和改进前相比提高了近一个数量级。
本文针对液压仿真转台中普遍存在的低速不平稳现象,以某半实物仿真动态试验台为对象,提出了一种基于滑模变结构的控制方案,经过仿真验证,获得了较满意的结果。本文推导的变结构控制律算法简单,易于工程实现,为工程实际中改善各类液压飞行转台的低速性能及整体性能,提供了一种经济易行的技改途径,同时也可为设计其他工业控制系统,尤其是系统参数变化剧烈、有干扰且实时性要求高的系统提供设计参考。
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