一种基于自适应施密斯补偿的电动舵机设计方法技术

本发明专利技术提供了一个通过测量舵机舵偏角、舵偏角速度构造施密斯补偿器并采用自适应方法实现舵机快速响应控制的方法。首先舵偏角与舵偏角指令进行对比得到舵偏角误差，再与施密斯补偿器的输出对比得到补偿误差；根据补偿误差、舵偏角速度与补偿误差的积分构造误差滑模，一方面，根据舵系统的控制信号，构造通过滞后运算构造施密斯补偿器，同时采用自适应算法对施密斯补偿中的滞后时间参数进行自适应估计。另一方面通过自适应算法设计滑模控制中的常值干扰补偿项与角速度干扰补偿项，并叠加滑模信号的非线性变化与微分滤波信号，实现舵系统的快速控制。该方法具有舵机响应快速性好的优点。优点。优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应施密斯补偿的电动舵机设计方法


[0001]本专利技术涉及工业电动舵机快速控制领域，具体而言，涉及一种基于自适应施密斯补偿的电动舵机设计方法。

技术介绍

[0002]舵机作为控制系统的核心执行机构，在很多军用民用大系统中都有着广泛的应用。对于高速飞行的飞行器，由于科技的发展，飞行速度越来越快，则要求整个飞行控制系统的反应响应速度越来越快，否则则安全避障等方面就会带来安全隐患。而飞行控制系统的响应速度越快，则对核心执行机构舵机的响应速度则要求更高，有的甚至要求舵机系统的响应速度小于10毫秒。因此快速性是此类舵机的最为关键指标，但惯性滞后特点是舵系统不可避免也难以消除的影响快速性的最大问题。针对滞后系统的控制问题斯密斯补偿器在工业温度控制中已有一些成功的应用例子，但舵系统比起稳定控制系统更为快速也更为复杂，基于上述背景原因，本专利技术提出了一种采用自适应与斯密斯补偿相结合的方法，主要原因是斯密斯补偿器的相关舵机参数如果不能妥善的处理，那么补偿的效果就大打折扣。因此我们采用了自适应方法对斯密斯补偿器的相关参数进行估计，从而实现了舵机的高速控制，也使得本专利技术具有很高的工程应用价值。
[0003]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分专利技术的信息仅用于加强对本专利技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于自适应施密斯补偿的电动舵机设计方法，进而克服了由于相关技术缺陷导致的舵机快速性能力不足问题。<br/>[0005]根据本专利技术的一个方面，提供一种基于自适应施密斯补偿的电动舵机设计方法动，包括以下四个步骤：
[0006]步骤S10，采用角度传感器测量电动舵机的舵偏角，记作δ；采用速度传感器，测量电动舵机的舵偏角速度，记作ω；
[0007]步骤S20，根据所述的电动舵机的舵偏角信号与电动舵机的输入指令信号进行对比，得到电动舵机的舵偏角误差信号；根据舵偏角误差信号与施密斯补偿器的输出信号进行对比，得到施密斯补偿误差信号，其中施密斯补偿器输出信号初始值设为0；然后根据施密斯补偿误差信号叠加其积分信号以及舵偏角速度信号得到补偿误差滑模信号，然后根据补偿误差滑模信号进行终端非线性变换，得到补偿误差滑模终端变换信号；最后根据补偿误差滑模信号与补偿误差滑模终端变换信号设计施密斯补偿器的滞后时间参数的自适应估计规律。
[0008]步骤S30，根据所述的施密斯补偿器的滞后时间参数的自适应估计规律，采用非线性积分解算得到施密斯补偿器的滞后时间参数估计值，然后根据舵机总控制信号与总控制惯性滞后信号进行分数阶近似微分解算得到总控制惯性滞后的增长速率信号；然后根据总
控制惯性滞后的增长速率信号进行非线性积分解算得到总控制惯性滞后信号，其中总控制惯性滞后信号与舵机总控制信号的初始值选取为0；再根据总控制惯性滞后信号与其之前的数据作差，得到施密斯补偿器的输出信号。
[0009]步骤S40，根据所述的补偿误差滑模终端变换信号进行二阶微分滤波变换，得到补偿误差滑模二阶滤波信号；然后根据所述的补偿误差滑模终端变换信号与补偿误差滑模信号采用非线性自适应方法设计滑模常值干扰参数的增长速率信号与滑模角速度干扰参数的增长速率信号；再分别进行非线性积分得到滑模常值干扰参数与滑模角速度干扰参数；并叠加补偿误差滑模终端变换信号、补偿误差滑模信号、补偿误差滑模二阶滤波信号得到最终的舵机总控制信号，将其输送给直流电机，实现舵机对输入指令的快速跟踪。
[0010]在本专利技术的一种示例实施例中，根据所述的电动舵机的舵偏角信号与电动舵机的输入指令信号进行对比，得到电动舵机的舵偏角误差信号；根据舵偏角误差信号与施密斯补偿器的输出信号进行对比，得到施密斯补偿误差信号，然后根据施密斯补偿误差信号叠加其积分信号以及舵偏角速度信号得到补偿误差滑模信号，然后根据补偿误差滑模信号进行终端非线性变换，得到补偿误差滑模终端变换信号；最后根据补偿误差滑模信号与补偿误差滑模终端变换信号设计施密斯补偿器的滞后时间参数的自适应估计规律包括：
[0011]e1＝δ
‑
δ
d
；
[0012]e＝e1‑
u
s
[0013]s1＝k1e+k2ω+k3∫edt；
[0014][0015][0016]其中δ
d
为舵机的输入指令信号，u
s
为施密斯补偿器输出信号，第一次解算采用初始值，其初始值设为0，后续解算见下一步；e1为舵机的舵偏角误差信号；e为施密斯补偿误差信号；s1为补偿误差滑模信号，k1、k2、k3为常值参数；s
a
为补偿误差滑模终端变换信号，T
2d
为施密斯补偿器的滞后时间参数的自适应估计规律；k
a3
为常值参数，用于调节施密斯补偿器的滞后时间参数自适应收敛速度的快慢。
[0017]在本专利技术的一种示例实施例中，根据所述的施密斯补偿器的滞后时间参数的自适应估计规律，采用非线性积分解算得到施密斯补偿器的滞后时间参数估计值，然后根据舵机总控制信号与总控制惯性滞后信号进行分数阶近似微分解算得到总控制惯性滞后的增长速率信号；然后根据总控制惯性滞后的增长速率信号进行非线性积分解算得到总控制惯性滞后信号，再根据总控制惯性滞后信号与其之前的数据作差，得到施密斯补偿器的输出信号包括：
[0018][0019][0020][0021][0022][0023]其中为滞后时间参数估计值，u为舵机总控制信号，在第一步解算选取初始值为0，后续解算见下一步；u
sad
为总控制惯性滞后的增长速率信号；u
sa
为总控制惯性滞后信号，T1为施密斯补偿器的常值时间常数；T为常值积分时间参数；τ为滞后时间参数。u
sa
(n
‑
τ/T)为u
sa
在nT
‑
τ时刻的值。u
s
为施密斯补偿器的输出信号，该输出信号用于解算上一步的施密斯补偿器输出信号。
[0024]在本专利技术的一种示例实施例中，根据所述的补偿误差滑模终端变换信号进行二阶微分滤波变换，得到补偿误差滑模二阶滤波信号；然后根据所述的补偿误差滑模终端变换信号与补偿误差滑模信号采用非线性自适应方法设计滑模常值干扰参数的增长速率信号与滑模角速度干扰参数的增长速率信号；再分别进行非线性积分得到滑模常值干扰参数与滑模角速度干扰参数；并叠加补偿误差滑模终端变换信号、补偿误差滑模信号、补偿误差滑模二阶滤波信号得到最终的舵机总控制信号包括：
[0025][0026][0027][0028][0029][0030][0031]其中s
b
为补偿误差滑模二阶滤波信号；a
1d
为滑模常值干扰参数的增长速率信号；a
2d
为滑模角速度干扰参数的增长速率信号；为滑模常值干扰参数；为滑模角速度干扰参数；k
a1
为常值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应施密斯补偿的电动舵机设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S10，采用角度传感器测量电动舵机的舵偏角，记作δ；采用速度传感器，测量电动舵机的舵偏角速度，记作ω；步骤S20，根据所述的电动舵机的舵偏角信号与电动舵机的输入指令信号进行对比，得到电动舵机的舵偏角误差信号；根据舵偏角误差信号与施密斯补偿器的输出信号进行对比，得到施密斯补偿误差信号，其中施密斯补偿器输出信号初始值设为0；然后根据施密斯补偿误差信号叠加其积分信号以及舵偏角速度信号得到补偿误差滑模信号，然后根据补偿误差滑模信号进行终端非线性变换，得到补偿误差滑模终端变换信号；最后根据补偿误差滑模信号与补偿误差滑模终端变换信号设计施密斯补偿器的滞后时间参数的自适应估计规律如下：e1＝δ
‑
δ
d
；e＝e1‑
u
s
s1＝k1e+k2ω+k3∫edt；∫edt；其中δ
d
为舵机的输入指令信号，u
s
为施密斯补偿器输出信号，第一次解算采用初始值，其初始值设为0，后续解算见下一步；e1为舵机的舵偏角误差信号；e为施密斯补偿误差信号；s1为补偿误差滑模信号，k1、k2、k3为常值参数；ε1为终端非线性变换的常值参数，s
a
为补偿误差滑模终端变换信号，T
2d
为施密斯补偿器的滞后时间参数的自适应估计规律；k
a3
为常值参数，用于调节施密斯补偿器的滞后时间参数自适应收敛速度的快慢；步骤S30，根据所述的施密斯补偿器的滞后时间参数的自适应估计规律，采用非线性积分解算得到施密斯补偿器的滞后时间参数估计值，然后根据舵机总控制信号与总控制惯性滞后信号进行分数阶近似微分解算得到总控制惯性滞后的增长速率信号；然后根据总控制惯性滞后的增长速率信号进行非线性积分解算得到总控制惯性滞后信号，其中总控制惯性滞后信号与舵机总控制信号的初始值选取为0；再根据总控制惯性滞后信号与其之前的数据作差，得到施密斯补偿器的输出信号如下：据作差，得到施密斯补偿器的输出信号如下：据作差，得到施密斯补偿器的输出信号如下：据作差，得到施密斯补偿器的输出信号如下：据作差，得到施密斯补偿器的输出信号如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴华丽，李一飞，
申请(专利权)人：重庆人文科技学院，
类型：发明
国别省市：