本發(fā)明涉及電動(dòng)舵機(jī)仿真領(lǐng)域，尤其涉及基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法、電子設(shè)備和存儲(chǔ)介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、隨著舵機(jī)被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中的導(dǎo)彈、飛機(jī)、火箭系統(tǒng)中，對(duì)舵機(jī)的整體性要求越來越高，這促使舵機(jī)向著體積、質(zhì)量不斷減小的方向發(fā)展；電動(dòng)舵機(jī)以其簡單可靠、質(zhì)量輕、體積小、使用維護(hù)方便、易于控制等特性引起了廣泛的注意與研究。電動(dòng)舵機(jī)通常具有非線性、快時(shí)變的特點(diǎn)，由于其常應(yīng)用在各種的復(fù)雜環(huán)境，受到非線性時(shí)變的環(huán)境因素的影響，傳統(tǒng)的pid控制器的精確性、魯棒性表現(xiàn)不佳存在易受干擾和參數(shù)變動(dòng)影響舵機(jī)位置控制的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法、電子設(shè)備和存儲(chǔ)介質(zhì)。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明的第一方面，提供基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法，包括以下步驟：

4、建立無刷直流電動(dòng)舵機(jī)的數(shù)學(xué)模型，包括建立無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型和舵面負(fù)載力矩的數(shù)學(xué)模型；

5、建立針對(duì)電動(dòng)舵機(jī)的位置環(huán)的偽微分反饋控制器模型；

6、結(jié)合偽微分反饋控制器模型、無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型和舵面負(fù)載力矩的數(shù)學(xué)模型，得到基于偽微分控制器的電動(dòng)舵機(jī)位置控制閉環(huán)仿真模型。

7、進(jìn)一步地，所述無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的建立，包括以下步驟：

8、建立驅(qū)動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型：

9、

10、其中，kpwm為驅(qū)動(dòng)器放大電壓倍數(shù)，uc為pwm輸入電壓，ts為場(chǎng)效應(yīng)管的時(shí)間常數(shù)1/f，f為pwm開關(guān)頻率；由于逆變器的pwm調(diào)制頻率較高，則ts很小，可以忽略不計(jì)，故pwm驅(qū)動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型簡化為gpwm＝kpwm；

11、建立無刷直流電機(jī)的電氣模型：

12、

13、式中：ua為電樞電壓，l為電樞電感，ia為電樞電流，r為電樞相電阻，ea為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；

14、對(duì)電氣模型進(jìn)行拉普拉斯變換得：

15、ua(s)-ea(s)＝slaia(s)+raia(s)

16、得到電壓與電流的傳遞函數(shù)：

17、

18、建立無刷直流電機(jī)的機(jī)械模型：

19、

20、式中：te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，tl為折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，jm為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωm為電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)的角速度，b為阻尼系數(shù)；

21、忽略粘性摩擦，對(duì)機(jī)械模型進(jìn)行拉普拉斯變換可得：

22、te(s)-tl(s)＝sjmωm(s)

23、得到電流與轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)：

24、

25、其中ea＝ke·dθ/dt，ke為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；te＝kt·ia，kt為電磁力矩常數(shù)；

26、對(duì)ea和te取值公式進(jìn)行拉普拉斯變換，得電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)和力矩與電流的傳遞函數(shù)：

27、ea(s)＝keωm(s)

28、te(s)＝ktia(s)

29、整理后得無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的方程組為：

30、

31、由此，繪得無刷直流電機(jī)的simulink框圖。

32、進(jìn)一步地，所述減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型的建立，包括：

33、電動(dòng)舵機(jī)采用二級(jí)漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)+二級(jí)行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)減速器，減速器的傳遞函數(shù)即為減速器的減速比1/i，電機(jī)輸出弧度角度到舵偏角度的轉(zhuǎn)換系數(shù)為180/pai，加上舵機(jī)的機(jī)械間隙，得到電機(jī)輸出角度到舵面轉(zhuǎn)角的數(shù)學(xué)模型即減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型；

34、由此繪得減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的simulink框圖。

35、進(jìn)一步地，所述舵面負(fù)載力矩的數(shù)學(xué)模型的建立，包括：

36、tl(s)＝khθ

37、其中kh＝tlm/θm，kh為負(fù)載力矩系數(shù)，tlm舵機(jī)額定力矩，θm最大舵面偏角，θ實(shí)際舵偏角；減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率為n，得到舵偏角對(duì)應(yīng)的負(fù)載力矩?cái)?shù)學(xué)模型即舵面負(fù)載力矩的數(shù)學(xué)模型；

38、由此繪得舵面負(fù)載力矩的simulink框圖。

39、進(jìn)一步地，所述建立針對(duì)電動(dòng)舵機(jī)的位置環(huán)的偽微分反饋控制器模型，包括：采用二階受控對(duì)象的偽微分反饋控制框圖。

40、進(jìn)一步地，所述結(jié)合偽微分反饋控制器模型、無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型和舵面負(fù)載力矩的數(shù)學(xué)模型，得到基于偽微分控制器的電動(dòng)舵機(jī)位置控制閉環(huán)仿真模型，包括：

41、偽微分反饋控制器模型的初始控制輸入端輸入舵偏角指令，偽微分反饋控制器模型的輸出端輸出控制電壓至無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的初始控制輸入端；

42、無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的輸出端輸出電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度至無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的初始控制輸入端和減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型；

43、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型的輸出端輸出實(shí)際舵偏角至舵機(jī)負(fù)載力矩的數(shù)學(xué)模型、偽微分反饋控制器模型的初始控制輸入端、偽微分反饋控制器模型的偽微分控制輸入端和外部；

44、舵機(jī)負(fù)載力矩的數(shù)學(xué)模型的輸出端輸出負(fù)載力矩至無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的力矩調(diào)整輸入端。

45、進(jìn)一步地，所述偽微分反饋控制器模型的輸出端和無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的初始控制輸入端之間，還設(shè)置有飽和限幅器。

46、進(jìn)一步地，所述方法還包括以下步驟：

47、仿真觀察基于偽微分控制器的電動(dòng)舵機(jī)位置控制閉環(huán)仿真模型，得到輸入舵偏角指令和反饋相應(yīng)對(duì)比曲線，驗(yàn)證跟蹤性能。

48、本發(fā)明的第二方面，提供一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)單元和處理單元，所述存儲(chǔ)單元上存儲(chǔ)有可在所述處理單元上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)指令，所述處理單元運(yùn)行所述計(jì)算機(jī)指令時(shí)執(zhí)行所述的基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法的步驟。

49、本發(fā)明的第三方面，提供一種存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)指令，所述計(jì)算機(jī)指令運(yùn)行時(shí)執(zhí)行所述的基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法的步驟。

50、本發(fā)明的有益效果是：

51、在本發(fā)明的一示例性實(shí)施例中，在無刷直流電動(dòng)舵機(jī)的數(shù)學(xué)模型中不僅包括無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，還引入減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型和舵面負(fù)載力矩的數(shù)學(xué)模型，主要考慮到電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)作為一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng)，容易受到負(fù)載轉(zhuǎn)矩干擾和參數(shù)變化的影響，讓仿真數(shù)據(jù)更貼近實(shí)際參數(shù)，以提高仿真模擬度；并且反饋控制器模型采用的是偽微分反饋控制器模型，使得電動(dòng)舵機(jī)在保持高響應(yīng)速度的同時(shí)，提高抗干擾能力，具有較強(qiáng)魯棒性。

技術(shù)特征：

1.基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法，其特征在于：所述無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的建立，包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法，其特征在于：所述減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型的建立，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法，其特征在于：所述舵面負(fù)載力矩的數(shù)學(xué)模型的建立，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法，其特征在于：所述建立針對(duì)電動(dòng)舵機(jī)的位置環(huán)的偽微分反饋控制器模型，包括：采用二階受控對(duì)象的偽微分反饋控制框圖。

6.根據(jù)權(quán)利要求1～5中任意一項(xiàng)所述的基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法，其特征在于：所述結(jié)合偽微分反饋控制器模型、無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型和舵面負(fù)載力矩的數(shù)學(xué)模型，得到基于偽微分控制器的電動(dòng)舵機(jī)位置控制閉環(huán)仿真模型，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法，其特征在于：所述偽微分反饋控制器模型的輸出端和無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的初始控制輸入端之間，還設(shè)置有飽和限幅器。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法，其特征在于：所述方法還包括以下步驟：

9.一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)單元和處理單元，所述存儲(chǔ)單元上存儲(chǔ)有可在所述處理單元上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)指令，其特征在于：所述處理單元運(yùn)行所述計(jì)算機(jī)指令時(shí)執(zhí)行如權(quán)利要求1～8中任意一項(xiàng)所述的基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法的步驟。

10.一種存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)指令，其特征在于：所述計(jì)算機(jī)指令運(yùn)行時(shí)執(zhí)行如權(quán)利要求1～8中任意一項(xiàng)所述的基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了基于偽微分反饋的電動(dòng)舵機(jī)仿真控制方法、電子設(shè)備和存儲(chǔ)介質(zhì)，方法包括以下步驟：建立無刷直流電動(dòng)舵機(jī)的數(shù)學(xué)模型，包括建立無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型和舵面負(fù)載力矩的數(shù)學(xué)模型；建立針對(duì)電動(dòng)舵機(jī)的位置環(huán)的偽微分反饋控制器模型；結(jié)合偽微分反饋控制器模型、無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型和舵面負(fù)載力矩的數(shù)學(xué)模型，得到基于偽微分控制器的電動(dòng)舵機(jī)位置控制閉環(huán)仿真模型。本發(fā)明仿真數(shù)據(jù)更貼近實(shí)際參數(shù)，以提高仿真模擬度，并且使得電動(dòng)舵機(jī)在保持高響應(yīng)速度的同時(shí)，提高抗干擾能力，具有較強(qiáng)魯棒性。

技術(shù)研發(fā)人員：尹豪,劉華峰,冉夢(mèng)帆,蘇珊,張恒
受保護(hù)的技術(shù)使用者：四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14