龍云,杜錦華,布家寶,梁得亮,2

(1. 西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,710049,西安;2. 西安交通大學陜西省智能電網(wǎng)重點實驗室,710049,西安)

氣墊登陸艇具有強大的遠程突襲能力,是現(xiàn)代兩棲作戰(zhàn)的核心技術裝備[1-2]。轉向葉片控制系統(tǒng)是氣墊登陸艇的航向控制設備,對氣墊登陸艇的機動性有著重要影響,其傳統(tǒng)動力來源是液壓作動器。近年來,考慮到液壓作動器的控制精度和靈活性較差[3],使用機電作動器替代液壓作動器具有良好的應用前景,其可以提高轉向葉片系統(tǒng)的操控性,并降低系統(tǒng)復雜性和維護成本[4]。

目前機電作動器多采用永磁同步電機驅動[5-7],但永磁同步電機中含有永磁體,極易因戰(zhàn)爭環(huán)境中的高溫和爆炸沖擊發(fā)生退磁或者碎裂而失效[8-9]。相比于永磁同步電機,開關磁阻電機不含永磁體,其堅固的結構和天然的容錯性可以提高系統(tǒng)在戰(zhàn)爭環(huán)境中的生存能力[10-11],因此氣墊登陸艇的轉向葉片系統(tǒng)更傾向于使用由開關磁阻電機驅動的機電作動器。不過開關磁阻電機的雙凸極結構也使得電機存在很強的非線性和轉矩脈動[12-13],且無法像永磁同步電機那樣通過坐標變換解耦成線性系統(tǒng)進行控制[14],導致開關磁阻式機電作動器的位置跟蹤控制更為困難。

目前開關磁阻式機電作動器的位置跟蹤控制方法可大體上分為兩類:經(jīng)典的比例積分微分(PID)控制及其改進算法;基于現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的新型控制方法。關于第1類控制方法,文獻[15]首先使用三閉環(huán)比例積分(PI)控制器,驗證了開關磁阻電機應用于機電作動器的可行性;在該方法的基礎上,文獻[16]提出了一種基于增益調度調節(jié)器的PID控制器,并通過階躍響應實驗驗證了該控制器的有效性,不過其增益調度調節(jié)器的設計略顯復雜,且沒有考慮負載擾動的影響。關于第2類控制方法,已有學者將模糊控制和迭代學習控制應用于開關磁阻式機電作動器的位置跟蹤控制[17-18],并顯示出良好的控制效果。不過模糊控制的效果依賴于模糊規(guī)則知識庫,知識庫的獲取對于工程經(jīng)驗不足的設計者是個挑戰(zhàn);而迭代學習控制更加適用于具有重復運動特點的被控系統(tǒng),不太適用于跟蹤位置變化劇烈且隨機的轉向葉片系統(tǒng)。文獻[19]針對開關磁阻電機的位置跟蹤控制提出了一種自適應反演控制方法,在跟蹤正弦位置信號時取得了良好的控制效果。這種方法的核心是直接轉矩控制,需要查找開關表,運算量較大。近年來,一些學者將自抗擾控制和模型預測控制應用于機電作動器的位置跟蹤控制[20-22],取得了理想的控制效果。自抗擾控制通過擴張狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)的總擾動進行觀測,從而將控制對象轉化為二階積分器使用比例微分(PD)控制器進行控制,方法較為簡單[23]。不過開關磁阻電機的非線性特性導致電機的模型信息難以被控制器利用,會導致擴張觀測器的帶寬較高,參數(shù)整定困難;模型預測控制同樣依賴系統(tǒng)的模型信息而且計算量較大,對控制芯片的性能要求較高,這些問題制約了兩種控制器在實際工程中的應用。

為兼顧開關磁阻式機電作動器的位置跟蹤性能和工程應用的可靠性與可行性,本文提出了一種含實時電流補償和自適應PI控制器。該控制器在電流環(huán)設計了基于負載觀測器的實時電流補償環(huán)節(jié)來提高系統(tǒng)的抗擾性能;在轉速環(huán)采用自適應PI來削弱開關磁阻電機的非線性,從而提高機電作動器中開關磁阻電機的轉速調節(jié)性能;并在位置環(huán)引入前饋環(huán)節(jié)來提高機電作動器的響應速度。相比于常規(guī)PI控制器,所提控制器的運算量增加不大,工程適用性較好。最后,通過仿真與實驗對比分析了4種位置控制器的性能,證明了所提控制器能有效控制開關磁磁阻式機電作動器進行位置跟蹤,且相比于其他3種控制器響應速度更快,位置跟蹤精度更高。

1 轉向葉片系統(tǒng)的數(shù)學模型

氣墊登陸艇的轉向葉片系統(tǒng)如圖1所示,主要包括作動器,轉向葉片以及推進風扇。系統(tǒng)通過作動器驅動轉向葉片偏轉來改變推進風扇的氣流方向,從而控制氣墊登陸艇的行進方向。

圖1 氣墊登陸艇的轉向葉片系統(tǒng)Fig.1 The steering vane system of the LCAC

轉向葉片系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。其中開關磁阻式機電作動器主要由開關磁阻電機、滾珠絲杠副、端環(huán)、旋轉變壓器和線性可變差動變壓器(LVDT)組成,其中旋轉變壓器用來測量開關磁阻電機的轉速和轉角,LVDT 變壓器用來測量作動器端環(huán)的直線位移。機電作動器的端環(huán)通過搖臂與轉向葉片連接,其直線位移決定了轉向葉片的偏角。為描述轉向葉片系統(tǒng)的主要特征,忽略間隙,彈性形變等非線性因素的影響,轉向葉片系統(tǒng)中開關磁阻式機電作動器的數(shù)學模型如下。

機電作動器中開關磁阻電機的數(shù)學模型

(1)

式中:U、R、ik和ψk分別為開關磁阻電機的電壓、相電阻、第k相的電流和磁鏈;Te、θ、ω、Jm、Bm分別為開關磁阻電機的電磁轉矩、轉動角度、轉動速度、轉動慣量和旋轉阻尼系數(shù)。

機電作動器中滾珠絲杠副的數(shù)學模型

(2)

轉向葉片系統(tǒng)的負載模型

(3)

由于轉向葉片的偏轉角度較小,所以其偏轉角度和機電作動器的位移約成正比,即

φ=σx

(4)

式中:σ為偏轉角度和作動器位移間的比例系數(shù)。

綜合式(1)～(4),可得機電作動器的數(shù)學模型

(5)

2 位置控制器設計及其參數(shù)整定

圖3 開關磁阻式機電作動器控制框圖Fig.3 The control block diagram of the SRM-based EMA

2.1 含實時電流補償?shù)碾娏髡{節(jié)器

圖4 含實時電流補償?shù)碾娏鳝h(huán)的控制框圖 Fig.4 The control block diagram of the current loop with the real-time current compensation

2.1.1 電流斬波控制環(huán)節(jié)設計

(6)

式中:Tc為延遲時間;Lmax、Lmin分別為開關磁阻電機定轉子齒在對齊和不對齊位置時的相電感;IN為開關磁阻電機的額定電流值。

2.1.2 實時電流補償環(huán)節(jié)設計

電流實時補償環(huán)節(jié)需要使用負載觀測器得到施加于轉向葉片上的空氣動力值。其表達式為

(7)

(8)

相比于不含電流補償?shù)某Ｒ?guī)PI控制器,在對電流環(huán)的給定電流進行實時補償后,機電作動器的階躍響應曲線和伯德圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 機電作動器中負載擾動的階躍響應曲線Fig.5 The step response curve of the load disturbance

圖6 機電作動器中負載擾動的伯德圖Fig.6 The Bode diagram of the load disturbance

圖5表明含電流補償?shù)奈恢每刂破飨啾扔诓缓娏餮a償?shù)奈恢每刂破?由負載擾動引起的位置變化很小。圖6所示的伯德圖進一步證明了該現(xiàn)象,圖中含實時電流補償?shù)目刂破鞯姆邓p更大,相位滯后更小,表明基于負載觀測器的實時電流補償環(huán)節(jié)可以降低負載擾動對位置跟蹤的影響。

2.2 基于自適應PI控制的轉速調節(jié)器

機電作動器所用開關磁阻電機的轉矩與電流和轉角的關系如圖7(a)所示,可知當開關磁阻電機的轉角處于9°～24°時,即電機轉子齒與定子齒基本對齊時,電機的轉矩基本穩(wěn)定。由于電流斬波控制器的開通關斷角恒定,因此開關磁阻電機的轉矩只與電流相關。取轉角9°～24°的轉矩平均值來表示電流所對應的轉矩,可得開關磁阻電機平均轉矩與電流間的關系如圖7(b)所示。

(a)轉矩-電流-轉角曲線

(b)平均轉矩-電流曲線

通過多項式擬合方法,可得機電作動器中開關磁阻電機的轉矩-電流表達式

Te=Kti=(ai+b)i

(9)

式中Kt不是一個常數(shù),而是一個與電機實時電流值相關的變量,故可用Kt(i)表示。

為了提高機電作動器的轉速調節(jié)性能,轉速調節(jié)器采用自適應PI來削弱開關磁阻電機的非線性。具體方法是基于開關磁阻電機的實時反饋電流對比例參數(shù)Kω進行自適應調節(jié),將其轉化為一個與電流相關的量Kω(i),從而抵消變量Kt(i)的影響?；谏鲜龇治隹傻棉D速環(huán)的控制框圖如圖8所示,圖中Gc(s)為電流環(huán)的傳遞函數(shù),Gm(s)為開關磁阻電機的電磁轉矩與轉速的傳遞函數(shù),記為

Gm(s)=1/(Jms+Bm)=Km/(Tms+1)

(10)

式中:Km=1/Bm;Tm=Jm/Bm;G2(s)為轉速采樣環(huán)節(jié),將其視為延遲環(huán)節(jié),記為G2(s)=1/(T0s+1),其中T0為轉速采樣的延遲時間。轉速調節(jié)器GASR(s)采用自適應PI控制,傳遞函數(shù)記為

(11)

式中:Kω(i)、τω分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)。

圖8 機電作動器轉速環(huán)的控制框圖Fig.8 The control block diagram of the speed loop

上述參數(shù)中,Kω(i)、Kt(i)的值均為和開關磁阻電機實時電流相關的變量。將轉速環(huán)中除轉速調節(jié)器GASR(s)外的環(huán)節(jié)合并,可得機電作動器轉速環(huán)控制對象的開環(huán)傳遞函數(shù)

Gω(s)=Gc(s)Kt(i)Gm(s)G2(s)=

(12)

式(12)中,由于Tc、T0遠小于Tm,故將電流和轉速采樣環(huán)節(jié)合并,使TΣ=Tc+T0。因為在位置跟蹤控制中要求轉速調節(jié)的快速性較好,故令τω=Tm,從而使轉速調節(jié)器中的τωs+1項抵消開關磁阻電機的大慣性環(huán)節(jié)Tms+1。這樣便把轉速環(huán)校正為典型的Ⅰ型系統(tǒng),其開環(huán)傳遞函數(shù)可改寫為

(13)

式中:Kw=KmKt(i)Kω(i)/τω。根據(jù)文獻[25]給出的工程參數(shù)整定法,系統(tǒng)阻尼比為0.707時,系統(tǒng)可以較好地兼顧轉速響應的快速性和超調,此時KwTΣ=0.5,故參數(shù)Kω(i)的值為

(14)

圖9 機電作動器中轉速環(huán)的階躍響應曲線Fig.9 The step response curve of speed loop

相比于恒定參數(shù)的常規(guī)PI控制器,在考慮開關磁阻電機的非線性特性并使用自適應PI控制器對轉速進行調節(jié)后,開關磁阻電機轉速的階躍響應曲線和伯德圖分別如圖9、圖10所示。從圖9可以看出,PI控制器和自適應PI控制器都可以使轉速的階躍響應不出現(xiàn)超調現(xiàn)象,但自適應PI相比于常規(guī)PI控制器的響應速度更快,并在電機的電流為10、30 A時,轉速響應性能幾乎相同,而PI控制器的轉速響應性能在兩個電流狀態(tài)下存在明顯差別。從圖10可以看出,自適應PI控制器對轉速的控制性能受電流大小的影響很小,而且幅值衰減和相位滯后都更小。因此,自適應PI可以有效削弱開關磁阻電機非線性特性對機電作動器轉速控制的不利影響,且相比于常規(guī)PI控制器具有更快的轉速響應性能。

圖10 機電作動器中轉速環(huán)的伯德圖Fig.10 The Bode diagram of EMA speed loop

2.3 含前饋環(huán)節(jié)的位置調節(jié)器

根據(jù)所設計的開關磁阻式機電作動器的轉速調節(jié)器,可知速度環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(15)

由于TΣ的值遠小于Kw,故式(15)可簡化為

Φw(s)=[Kw(T0s+1)]/(s+Kw)

(16)

在常規(guī)PI控制器中,位置環(huán)通常采用比例控制,雖然可以保證階躍響應的超調較小,但也會導致響應速度較慢,難以跟蹤變化較快的位置信號,因此本文所提控制器在位置環(huán)中引入了前饋環(huán)節(jié)來提高響應速度,其控制框圖如圖11所示。圖11中,GF(s)為前饋環(huán)節(jié),GAPR(s)為位置調節(jié)器,Gb(s)為滾珠絲杠副的傳遞函數(shù),記為Gb(s)=δ/s。G1(s)為位置采樣,其傳遞函數(shù)為G1(s)=1/(T0s+B)。因此,位置環(huán)控制對象的開環(huán)傳遞函數(shù)可寫為

Gp(s)=Φw(s)Gb(s)G1(s)=

(17)

圖11 機電作動器位置環(huán)的控制框圖Fig.11 The control block diagram of the position loop

機電作動器位置環(huán)的控制對象是典型的Ⅰ型系統(tǒng)。為使系統(tǒng)能實現(xiàn)恒定位置跟蹤且保證無穩(wěn)態(tài)誤差,由于位置調節(jié)器采用比例控制,故有

(18)

式中:Kp為位置調節(jié)器的比例系數(shù)。根據(jù)文獻[25]中典型Ⅰ型系統(tǒng)的參數(shù)整定方法,位置調節(jié)器的值Kp=Kwk/δ,其中0.25

(19)

為提高機電作動器的位置響應速度,在位置環(huán)中引入前饋環(huán)節(jié)后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)變?yōu)?/p>

(20)

為使開關磁阻式機電作動器能夠完全跟蹤給定的位置信號,令Φp(s)=1,代入式(20),可得

(21)

當開關磁阻式機電作動器的位置環(huán)引入前饋環(huán)節(jié)后,機電作動器位置環(huán)的階躍響應和伯德圖分別如圖12、圖13所示。從圖12可以看出,開關磁阻式機電作動器的位置環(huán)在引入前饋環(huán)節(jié)后雖然會導致位置的階躍響應有少許超調,但可以顯著提高位置響應速度。此外,位置環(huán)在引入前饋環(huán)節(jié)后,k的值對機電作動器位置響應性能的影響不再明顯,但k的值越小超調越小,所以k取0.25較為合適。從圖13可以看出,引入前饋環(huán)節(jié)可以顯著減小機電作動器在正弦位置信號跟蹤時的幅值衰減和相位滯后。

圖12 機電作動器中位置環(huán)的階躍響應曲線Fig.12 The step response curve of position loop

圖13 機電作動器中位置環(huán)的伯德圖Fig.13 The bode diagram of EMA position loop

3 仿真分析與實驗驗證

為驗證本文所提位置控制器的有效性和優(yōu)越性,對比分析了常規(guī)PI控制器、考慮開關磁阻電機非線性特性的自適應PI控制器、含位置前饋的自適應PI控制器以及所提基于實時電流補償和自適應PI的位置控制器,在開關磁阻式機電作動器階躍響應和頻率響應上的位置跟蹤性能。其中機電作動器階躍響應和頻率響應的性能要求如表1所示,轉向葉片系統(tǒng)的參數(shù)由表2所示,所提位置控制器的參數(shù)由表3所示。由于機電作動器的直線位移與轉向葉片的偏轉角度基本相等,且機電作動器測量直線位移的LVDT變壓器具有較高的測量精度,故選用機電作動器的直線位移作為控制變量。

表1 開關磁阻式機電作動器的性能指標

表2 轉向葉片系統(tǒng)參數(shù)

表3 位置控制器參數(shù)

3.1 仿真分析

搭建了基于4種控制器的轉向葉片系統(tǒng)仿真模型,對轉向葉片系統(tǒng)中開關磁阻式機電作動器的階躍響應和頻率響應特性進行了如下仿真分析。

3.1.1 階躍響應仿真

給定20 mm的恒定位置信號,機電作動器在4種控制器控制下的階躍響應曲線如圖14所示。

(a)位置跟蹤曲線

(b)階躍響應轉速曲線

圖14(a)所示的位置跟蹤曲線表明4種控制器均可以使機電作動器在0.8 s內(nèi)到達給定位置,且超調量均小于0.1 mm,滿足階躍響應的性能指標要求。不過所提控制器使機電作動器具有最快的響應速度。從圖14(a)可以看出,4種控制器的響應速度越來越快,證明了實時電流補償環(huán)節(jié),基于開關磁阻電機非線性特性的自適應PI以及位置前饋環(huán)節(jié)均有效提高了開關磁阻式機電作動器的響應速度。此外,放大圖還表明PI控制器和自適應PI控制器相比于前饋自適應PI控制器和所提控制器使機電作動器在到達給定位置后產(chǎn)生了較為明顯的位置波動。這是由于后兩種控制器可以通過位置前饋環(huán)節(jié)較好地預測給定位置信號的未來趨勢提前做出了補償控制。圖14(b)表明,PI控制器和自適應PI控制器使機電作動器在到達給定位置后的轉速調整非頻繁且轉速波動較大,而后兩種控制器的轉速波動則非常微小,可知位置前饋環(huán)節(jié)可以有效減小機電作動器轉速調整的幅度,從而減小機電作動器的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。

3.1.2 頻率響應仿真

給定頻率為3 Hz、幅值為3 mm的正弦信號,機電作動器的階躍響應曲線如圖15所示。從圖15(a)可以看出:除常規(guī)PI控制器外,其余3種控制器的幅值衰減均不超過3 dB,相位滯后不超過30°;其中所提控制器的正弦信號跟蹤性能最好。PI控制器和自適應PI控制器的幅值衰減和相位滯后較為明顯,不過自適應PI控制器的性能要好于PI控制器,而前饋自適應PI控制器則有少許超調。對照圖15(b)所示的位置跟蹤誤差曲線,可知PI控制器的位置跟蹤誤差波動最大,而所提控制器的位置跟蹤誤差波動最小,且4種控制器的位置跟蹤誤差依次遞減。這是由于PI控制器的參數(shù)是根據(jù)開關磁阻電機的線性模型整定的,與真實模型的偏差較大;而PI控制器本身受模型精度的影響較大,故位置跟蹤誤差最大。而所提控制器中的實時電流補償環(huán)節(jié),自適應PI和位置前饋環(huán)節(jié)均可以有效提高開關磁阻式機電作動器的頻率響應性能,所以其位置跟蹤誤差最小。圖15(c)表明,4種控制器的轉速變化幅值基本接近。不過,相比于前饋自適應PI控制器和所提控制器,PI控制器的轉速響應曲線較為滯后,在波峰波谷處的過渡非常迅速,呈現(xiàn)三角形狀,而自適應PI控制器則在波峰波谷處有明顯的小紋波,兩種控制器在該位置進行了較大幅度的轉速調節(jié)。這是由于這兩種控制器缺少位置前饋環(huán)節(jié)的預測作用而必須基于實時誤差進行快速調節(jié)而導致轉速超調,因此前饋自適應PI控制器和所提控制器因為具有位置前饋環(huán)節(jié)而使得機電作動器的轉速調節(jié)更為迅速和平滑。

(a)位置跟蹤曲線

(b)位置跟蹤誤差曲線

(c)頻率響應轉速曲線

3.2 實驗驗證

為驗證所提控制器的有效性,搭建了圖16所示的實驗平臺,其主要由開關磁阻式機電作動器、工控機、dSAPCE控制器、直流電源、驅動柜、信號解碼器、電流鉗和模擬轉向葉片組成。其中dSPACE為系統(tǒng)的主控制器,控制頻率為10 kHz,直流電源的電壓為28 V,驅動柜采用不對稱半橋電路,信號解碼器負責對機電作動器中旋轉變壓器的轉速轉角信號和LVDT變壓器的直線位移信號進行解碼,并反饋到dSPACE控制器中,從而對機電作動器進行控制。電流鉗負責機電作動器的電流信號采樣,所有信號的采樣頻率與控制頻率相等,均為10 kHz。實驗數(shù)據(jù)由dSPACE控制器的在線進行界面觀測和記錄。

圖16 轉向葉片系統(tǒng)實驗平臺Fig.16 The experimental platform of steering vane system

3.2.1 階躍響應實驗

4種控制器階躍響應的實驗結果如圖17所示。

由圖17可以看出,實驗結果與仿真分析的結果基本一致,即4種控制器操縱下開關磁阻式機電作動器的位置跟蹤性能依次增強,且所提控制器具有最好的階躍響應性能。圖17(a)驗證了實時電流補償環(huán)節(jié)和轉速環(huán)自適應PI和位置前饋環(huán)節(jié)可以較好地減小機電作動器到達給定位置后的位置波動。圖17(b)轉速響應曲線與圖14相似,同樣表明前饋自適應PI和所提控制器可以使機電作動器具有更快的響應速度,且使作動器在到達給定位置后的轉速波動更小,這有利于降低開關磁阻式機電作動器的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差,降低工作時的振動與噪聲,這一現(xiàn)象可以在實驗時明顯發(fā)現(xiàn)。

(a)位置跟蹤曲線

(b)階躍響應轉速曲線

3.2.2 頻率響應實驗

4種控制器頻率響應的實驗結果如圖18所示。

(a)位置跟蹤曲線

(c)頻率響應轉速曲線

與仿真結果相似,圖18(a)表明:PI控制器和自適應控制器對機電作動器的控制效果較差,相位滯后相比于前饋自適應PI控制器和所提控制器更為明顯;而且PI控制器控制下的位置跟蹤波形在波谷位置的畸變較自適應PI控制器更為嚴重,這表明轉速環(huán)自適應PI調整環(huán)節(jié)具有較好的轉速調整性能,可以使開關磁阻式機電作動器的動態(tài)響應性能更好。圖18(b)表明,4種控制器的位置跟蹤誤差呈依次遞減現(xiàn)象。其中所提控制器具有最小的跟蹤誤差和最好的正弦信號跟蹤性能,而PI控制器的位置跟蹤誤差最大,不過相比于仿真結果要小,其主要原因是實驗系統(tǒng)與仿真模型的存在差異,尤其是實驗系統(tǒng)在低速時的摩擦力要明顯高于仿真模型。從圖18(c)可以看出,PI控制器和自適應PI控制器的轉速響應相比于前饋自適應PI控制器和所提控制器要滯后,且在波峰波谷位置的轉速波動幅值也更大。這與仿真結果一致,均表明了位置前饋環(huán)節(jié)有利于增強開關磁阻式機電作動器的動態(tài)調整性能,使作動器的運行更加平穩(wěn)。

3.3 仿真與實驗結果的比較分析

仿真分析和實驗結果的對比如表4、表5所示。根據(jù)表4中上升時間和表5中平均誤差的實驗數(shù)據(jù)可知:相比于前3種控制器,所提控制器的響應速度分別提高了49.3%、44.4%和30.0%,位置跟蹤精度分別提高了54.8%、49.2%和2.9%,表明所提控制器具有最優(yōu)的位置跟蹤性能。這是因為自適應PI控制器考慮了開關磁阻電機的非線性特點,可以使機電作動器根據(jù)開關磁阻電機的磁飽和狀態(tài)選擇最優(yōu)的參數(shù)對轉速進行調節(jié),故使得自適應PI控制器的響應速度相比于PI控制器更快。相比于自適應PI控制器,前饋自適應PI控制器增加了位置前饋環(huán)節(jié),可以根據(jù)給定位置信號的變化趨勢提前做出補償然后進行轉速調節(jié),因此該控制器進一步提高了機電作動器的響應速度并有效減小了開關磁阻電機的轉速波動。相比于前3種控制器,所提控制器還考慮了負載擾動的影響,通過引入基于負載觀測器的實時電流補償環(huán)節(jié),所提控制器使開關磁阻式機電作動器較好地克服負載擾動的不利影響,使開關磁阻式機電作動器的動態(tài)響應性能更好,位置跟蹤精度更高。這證明了所提控制器中基于負載觀測器的實時電流補償環(huán)節(jié),轉速環(huán)自適應 PI 和位置前饋環(huán)節(jié)的有效性。

表4 機電作動器階躍響應的仿真實驗結果

表5 機電作動器頻率響應的仿真實驗結果

4 結 論

為了使轉向葉片系統(tǒng)中開關磁阻式機電作動器獲得較好的位置跟蹤性能,從而增強氣墊登陸艇的機動性,提出了一種含實時電流補償和的自適應PI控制策略,并給出了其設計和參數(shù)整定方法?；诜抡婧蛯嶒灲Y果,得到以下結論。

(1)基于機電作動器中開關磁阻電機的非線性特性,通過對控制器轉速環(huán)的PI參數(shù)進行自適應最優(yōu)調節(jié),可有效提高機電作動器的響應速度。

(2)通過在控制器引入位置前饋環(huán)節(jié)和實時電流補償環(huán)節(jié),可以進一步提高開關磁阻式機電作動器的響應速度并減小其轉速波動,從而有效提高機電作動器的位置跟蹤精度。

(3)所提含實時電流補償?shù)淖赃m應PI控制器可以有效控制開關磁阻式機電作動器以較快的速度和較高的精度跟蹤恒定位置信號和正弦位置信號,滿足轉葉片系統(tǒng)的動態(tài)性能要求。