导弹电液伺服机构的自适应模糊滑模跟踪控制
摘 要: 针对导弹电液伺服机构的跟踪控制问题,提出了一种自适应模糊滑模的设计方案。使用具有参数在线调节的自适应模糊控制,逼近滑模控制中的等效控制部分,并确定非线性控制项以保证系统的稳定性。根据滑模控制原理给出四条模糊规则,以平滑不连续控制,达到削弱抖振的目的。仿真结果表明了该方案的有效性。
关 键 词: 导弹电液伺服机构; 滑模变结构控制; 自适应模糊控制
导弹电液伺服机构是导弹控制系统中不可缺少的组成部分,它的性能往往严重影响到导弹的控制精度,甚至决定飞行的成败[1]。导弹飞行过程中,电液伺服机构的参数会随着环境条件的变化而发生变化,而且电液伺服机构还需克服摆动喷管的各种负载力矩的影响,因此使电液伺服机构具有小阻尼、时变性和非线性等特点[2]。经典控制方法较难使电液伺服机构获得优良的动态特性和稳态品质。由于滑模变结构控制可以通过控制器结构的不断调整和变化,有效地控制具有参数变化和外部扰动的被控制对象[3-4],这与具有不定性(包括参数变化,外部扰动与非线性)导弹电液伺服机构的控制要求是一致的,因此本文将滑模变结构控制引入到导弹电液伺服机构控制中。但常规滑模变结构控制中用于处理不确定项的切换控制将使系统产生抖振现象[5]。文献[6-8]曾引入模糊理论来消除抖振,但是,建立精确的模糊规则有一定的难度,设计中离不开参数的反复选择。而且信息是静态的,不具有自适应能力,难以有效地处理系统中的不确定性及干扰对系统的影响。为此本文针对导弹电液伺服机构的跟踪控制问题,提出一种自适应模糊滑模的设计方案,用自适应模糊控制逼近滑模控制中的等效控制,解决由于不确定性及干扰的存在而不能准确确定等效控制的问题。利用Lyapunov稳定理论推导非线性控制项,确保系统的稳定性。根据滑模控制原理给出四条模糊规则,以平滑不连续控制,达到削弱抖振的目的,使系统具有较好的动态响应性能、较小的稳态控制精度和强的鲁棒性。
1 问题分析
某导弹电液伺服机构为典型的电液位置伺服系统。其控制回路由数字控制器[1]、伺服放大器、电液伺服阀、作动器和反馈电位器组成。如图1所示。数字控制器接收弹载计算机的指令δc(输入),与实际位置间的误差求解,计算控制律,加至伺服放大器,控制驱动电液伺服阀,作动器直接将电液伺服阀输出的液压能转换成机械能,控制活塞杆位移,达到控制负载喷管摆动δ的目的。本文的导弹电液伺服机构建模忽略了系统中电
液伺服阀的动态特性、结构变形、油泵动态和蓄能器的影响等,得描述导弹电液伺服机构的基本方程[2]KuiKvKQu=ARSδ+PL(VT4BS+Kce)ARPL=IS2δ+nSδ+Kδδ+M(1)式中:Kui为放大器的放大系数;Kv为伺服阀线性化放大系数;KQ为伺服阀流量增益;A为作动器有效面积;R为摆动力臂零位长度;VT为阀出槽口起至作动器的受压容积;Kce为总压力流量系数,且Kce=Kc+Cе(Ce为与阀和作动器有关部分内外总泄漏系数;Kc为系统压力流量系数);PL为阀负载压差;B为液压油容积弹性模数;n为喷管及有关部分的粘性阻尼系数;I为喷管及有关部分绕摆轴的转动惯量;M为负载总力矩;Kδ为位置力矩系数。
由于系统的流量系数,泄漏系数,放大器增益等参数具有明显的不确定性,且随着工作状态、温度等的变化而缓慢变化;负载力矩M也可能发生变化。
2 自适应模糊滑模控制律设计
为了进行自适应模糊滑模控制律设计的需要,引入下列假设条件:
1) {…xd,¨xd,.xd,xd}已知有界,且连续;
2)系统的状态变量X=[x1 x2 x3]T均可测,且都是有界的;
3) ai=ai0+Δai,g=g0+Δg (4)其中:ai0,g0为系统的标称参数;Δai,Δg为系统参数的不确定部分;
4) f(X)是已知上界的连续函数,|f(X)|≤fmax,即Δai的上界已知;g是已知下界的控制增益,0<gl≤g,即Δg的下界已知;d为有界干扰,|d|≤D。
定义滑动模态超平面:s(t)=c1e1+c2e2+e3=c1e1+c2.e1+¨e1=0(5)
其中,c1、c2决定了滑动模态的动态品质,本文采用极点配置法来确定c、c的值。
由于f,g具有不确定性,将难以产生精确的滑模等效控制。这种情况下,基于文献[9],本文采用模糊逻辑系统输出^ueq来逼近滑模等价控制ueq。根据滑模控制原理,本文中控制律由两项组成,如u=^ueq+uN所示,一项是基于模糊逻辑系统的滑模等效控制^ueq,该项的作用是将系统的状态保持在滑动模态超平面内,另一项是非线性控制项uN,该项是使系统状态满足滑动模态的可达条件所需的控制量。
3 仿真研究
考虑某导弹电液伺服机构,如式(1)所描述,未考虑弹性负载,部分参数的标称值[2]为kui=5 mA/V;KQ=12 cm3/(s·mA);A=10 cm2;R=17 cm;由标
称值可计算得到系统参数:a10=0,a20=8873.64,a30=37.68,b0=179 425,d=0.86.M+9.73M。其中M为导弹电液伺服机构所要克服的喷管的各种力
矩。考虑到摆动喷管的负载以摩擦力矩和位置力矩为主,本文只考虑了这两种力矩的影响,即:M=Mf0sgn.δ+Md。
4 结论
本文针对导弹电液伺服机构的跟踪控制问题提出了一种自适应模糊滑模的设计方案。使用具有参数在线调节的自适应模糊控制,以精确地逼近滑
模控制中的等效控制部分,这样就可以不依赖于被控对象的精确数学模型。在非线性控制项计算中仅需要f(x)和干扰d的上界及g的下界,这比以前滑模控制需要不确定性及干扰的全部上下界的要求低。根据滑模控制原理给出四条模糊规则,以平滑不连续控制,达到削弱抖振的目的。仿真表明,该方案对于参数扰动及负载干扰,具有较好的动态响应性能、较小的稳态控制精度和强的鲁棒性。
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