基于自抗擾控制器的電動(dòng)缸載荷系統(tǒng)研究

黃杰　黃茹楠　程拓　武延志

摘 要： 針對(duì)航空飛行器關(guān)鍵部件疲勞性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確模擬極端條件下載荷譜的要求，在電動(dòng)缸載荷系統(tǒng)中通過設(shè)計(jì)自抗擾控制器（ADRC）估計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)信息和擾動(dòng)信息，解決在極端條件、無擾動(dòng)數(shù)學(xué)模型條件下對(duì)規(guī)定載荷譜的精確控制問題；解決因極端條件變化帶來的擾動(dòng)和系統(tǒng)不確定性導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。通過仿真試驗(yàn)，電動(dòng)缸加載三階系統(tǒng)的力閉環(huán)自抗擾控制系統(tǒng)在外部條件相同的條件下，自抗擾控制器的控制效果優(yōu)于PID控制，響應(yīng)速度更快，抗系統(tǒng)擾動(dòng)能力更強(qiáng)，滿足伺服電動(dòng)缸加載控制系統(tǒng)加載精度高、試驗(yàn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)載荷譜重復(fù)及一致性精度高的要求。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)缸加載； 自抗擾控制 ；載荷譜； 力閉環(huán)

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）05?0143?04

Abstract： To simulate the load spectrum of the fatigue performance evaluation test system of the aircraft′s key components under extreme condition， the active disturbance rejection controller （ADRC） of the electric cylinder loading system was designed to estimate the system statues information and disturbance information， solve the accuracy control problem of the load spectrum under the extreme condition or undisturbed mathematical model condition， system stability problem caused by the uncertain system and disturbance caused by the changed extreme condition. The results of simulation experiment show that the control effect of the active disturbance rejection control is better than that of the PID control， its response speed is faster and system antidisturbance capability is stronger under the same external conditions， and the controller can meet the requirements of the high loading accuracy of the servo electric cylinder loading control system， and high load spectrum repeatability and consistency of the experiment evaluation system.

Keywords： electric cylinder loading； ADRC； load spectrum； force closed loop

0 引 言

航空飛行器關(guān)鍵部件疲勞性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)用于對(duì)飛行器關(guān)鍵部件裝機(jī)性能和裝機(jī)壽命進(jìn)行試驗(yàn)與評(píng)價(jià)，需要模擬實(shí)際飛行工控和載荷譜的準(zhǔn)確控制。由于試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和極端工作條件的要求，載荷譜動(dòng)態(tài)、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的模擬控制采用伺服電動(dòng)缸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。目前伺服電動(dòng)缸加載系統(tǒng)主要存在的問題是：由于環(huán)境溫度的極端變化導(dǎo)致物理傳動(dòng)結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生的非線性控制問題，被控對(duì)象的控制特性變化大等因素導(dǎo)致系統(tǒng)載荷控制精度低甚至出現(xiàn)較大的不穩(wěn)定工作區(qū)；同時(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)被測(cè)部件的周期運(yùn)動(dòng)也會(huì)引入較大的負(fù)載擾動(dòng)，如負(fù)載端在有載情況下以一定頻率往復(fù)擺動(dòng)引起的負(fù)載擾動(dòng)影響，形成一定的載荷波動(dòng)。而上述這些擾動(dòng)難以通過建立精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擾動(dòng)補(bǔ)償控制；另一方面，當(dāng)設(shè)定壓力值較大時(shí)，系統(tǒng)存在響應(yīng)速度和超調(diào)的相互矛盾，容易引起對(duì)加載系統(tǒng)的沖擊，甚至破壞機(jī)械系統(tǒng)。

自抗擾控制技術(shù)不依賴于系統(tǒng)擾動(dòng)的精確數(shù)學(xué)模型，通過設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO，估計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)信息和擾動(dòng)信息，解決無擾動(dòng)數(shù)學(xué)模型的抗干擾控制問題。通過提出設(shè)計(jì)跟蹤微分器TD，提取輸入信號(hào)和其微分信號(hào)，安排階躍輸入的過程，解決響應(yīng)速度和超調(diào)的控制矛盾問題[1]。本文將自抗擾控制技術(shù)運(yùn)用于電動(dòng)缸加載控制系統(tǒng)中，使其作用于系統(tǒng)的力閉環(huán)，改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性，補(bǔ)償系統(tǒng)因負(fù)載擾動(dòng)帶來的加載誤差，優(yōu)化了控制效果。

1 電動(dòng)缸載荷系統(tǒng)模型分析

電動(dòng)缸載荷系統(tǒng)由伺服電動(dòng)缸、彈性環(huán)節(jié)、壓力傳感器和負(fù)載桿端關(guān)節(jié)軸承試件組成，其中負(fù)載桿端關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)環(huán)可以沿著加載軸垂直方向在一定頻率和角度內(nèi)擺動(dòng)，其簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由以上分析可以看出被控對(duì)象為三階系統(tǒng)。

2 自抗擾控制器

自抗擾控制器ADRC一般由三部分組成：用微分跟蹤器TD提取輸入信號(hào)的微分信號(hào)，給出合適的過渡階段；用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO估計(jì)被控對(duì)象的狀態(tài)信息和系統(tǒng)總和擾動(dòng)信息；用線性誤差反饋控制律LSEF根據(jù)給定信號(hào)和估計(jì)狀態(tài)之間的誤差[e]決定控制規(guī)律[4][u0，]并結(jié)合擾動(dòng)估計(jì)值補(bǔ)償?shù)玫阶罱K控制量[u。]本文控制三階對(duì)象的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

當(dāng)輸入為恒載荷時(shí)，從圖6中可以看出，在調(diào)整上升階段，自抗擾控制的響應(yīng)速度要略微快于PID控制，前者為1.9 s，后者為2.2 s。在[t=3 ]s干擾加入后，PID控制曲線的波動(dòng)為20 N，而自抗擾控制幾乎不受擾動(dòng)影響。

當(dāng)輸入為正弦載荷時(shí)，從圖7可以看出，在干擾加入之前，自抗擾控制和PID控制均能較好地跟蹤輸入曲線，兩者相差不大；而在干擾加入之后，PID控制曲線明顯隨著干擾的頻率上下波動(dòng)，波動(dòng)幅值大約為30 N，誤差為3%，自抗擾控制曲線波動(dòng)明顯小于PID控制，波動(dòng)幅值大約為10 N，誤差為1%，且波動(dòng)頻率小于干擾頻率，曲線更為平滑。

5 結(jié) 語

本文針對(duì)電動(dòng)缸加載系統(tǒng)建立了力閉環(huán)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了線性自抗擾控制器，將其運(yùn)用于加載系統(tǒng)載荷的抗干擾控制，通過與傳統(tǒng)的PID控制相比較，自抗擾控制器能為載荷系統(tǒng)安排合適的過渡過程，使其調(diào)整階段更平滑。在存在擾動(dòng)的情況下，能更好地通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)擾動(dòng)，并通過擾動(dòng)補(bǔ)償抑制擾動(dòng)。本文為疲勞試驗(yàn)機(jī)的載荷系統(tǒng)提供了一種可行的加載方式，已在航空軸承疲勞性能試驗(yàn)系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，并取得了穩(wěn)定性好、精度高的控制效果。

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