CN108803357B - 一种pid和改进滑模的电动舵机混合控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种PID和改进滑模的电动舵机控制器混合控制方法及系统，方法包括：将舵机偏转指令、位置反馈信号输入至位置环控制器，再通过位置环控制器输出速度指令；将速度指令、速度反馈信号输入至速度环控制器，再通过速度环控制器输出PWM控制量；将舵机角度误差、舵机速度误差输入至滑模控制器，滑模控制器输出等效控制量U_eq，同时提出新的趋近律，补偿换方向切换时出现的平顶现象；位置环控制器和速度环控制器均通过常规PID控制器实现。本发明能在不改变舵机系统大角度性能的基础上，解决小角度位置平顶问题，有效的改进了舵机小角度正弦跟踪性能，本发明可以使用的算法简单、可靠、工程量小，且易于工程化实现，具有较广的适用范围。

Description

一种PID和改进滑模的电动舵机混合控制方法及系统

技术领域

本发明属于电动舵机伺服控制技术领域，具体涉及一种PID和改进滑模的电动舵机混合控制系统。

背景技术

舵机是飞行器的重要执行机构，主要包括气动舵机、液压舵机、电动舵机。电动舵机因其体积小、易维护等优点，被广泛应用到机器人、无人机、导弹等领域。但舵机系统不可避免的存在非线性(摩擦、间隙等)，这些非线性因素引发舵机系统出现较大的跟踪误差、极限环振荡、“爬坡”等现象。目前，不少学者采用变结构控制、神经网络控制、粒子算法等先进控制理论取得较好的成果，较好的解决了舵机的非线性问题。但现有方法主要适用于大角度信号的跟踪，而忽略了小角度正弦信号的跟踪。在跟踪小角度信号时，由于静摩擦的影响，系统存在较为严重“平顶”现象，严重影响了舵机系统的性能。为此本发明提出了一种PID和改进滑模的电动舵机混合控制方法，在不改变舵机系统大角度性能的基础上，解决小角度位置平顶问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种PID和改进滑模的电动舵机混合控制方法，在不改变舵机系统大角度性能的基础上，解决小角度位置平顶问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：提供一种PID和改进滑模的电动舵机控制器混合控制方法，包括：

将舵机偏转指令、位置反馈信号输入至位置环控制器，再通过位置环控制器输出速度指令；

将速度指令、速度反馈信号输入至速度环控制器，再通过速度环控制器输出PWM控制量；

将舵机角度误差、舵机速度误差输入至滑模控制器，滑模控制器输出等效控制量U_eq，用于补偿换方向切换时出现的平顶现象；

位置环控制器和速度环控制器均通过常规PID控制器实现；

通过常规PID控制器和滑模控制器混合控制方法实现对电动舵机的精确控制。

在大角度时，电动舵机控制器采用常规PID控制器；

在小角度时，引入滑模控制器，所述滑模控制器用于补偿方向切换时出现的平顶现象，对趋近律进行改进，提出新的趋近律：

其中定义切换函数为:

为了削弱滑模控制器的抖动，引入开关函数和边界层，限制滑模控制器的使用，边界层内采用常规PID控制器，边界层外采用滑模控制器，且每次穿越滑模面，滑模控制器仅工作一次，进而最大限度降低滑模控制器的抖动问题。

开关函数定义如下：

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明还提供一种PID和改进滑模的电动舵机控制器混合控制系统，包括：

位置环控制器，舵机偏转指令、位置反馈信号输入至位置环控制器，再通过位置环控制器输出速度指令；

速度环控制器，速度指令、速度反馈信号输入至速度环控制器，再通过速度环控制器输出PWM控制量；

滑模控制器，舵机角度误差、舵机速度误差输入至滑模控制器，滑模控制器输出等效控制量U_eq，用于补偿换方向切换时出现的平顶现象；

位置环控制器和速度环控制器均通过常规PID控制器实现。

在大角度时，电动舵机控制器采用常规PID控制器，实现对大角度的跟踪，保证舵机系统的性能指标；

在小角度时，引入滑模控制器，所述滑模控制器用于补偿方向切换时出现的平顶现象，为了提高对“平顶”的削弱效果，对趋近律进行改进，提出新的趋近律：

其中定义切换函数为:

为了削弱滑模控制器的抖动，引入开关函数和边界层，限制滑模控制器的使用，边界层内采用常规PID控制器，边界层外采用滑模控制器，且每次穿越滑模面，滑模控制器仅工作一次，进而最大限度降低滑模控制器的抖动问题。开关函数定义如下：

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用PID+滑模的混合控制方法，在不影响舵机其他性能指标的前提下，有效的改进了舵机小角度正弦跟踪性能。

2、本发明通过引入滑模控制器，有效地削弱电动舵机小角度正弦跟踪时存在的平顶问题，解决了因平顶问题而引发的飞行器高频抖动问题。

3、本发明通过引入开关函数和边界层，且每次穿越滑模面仅使用一次滑模控制器，有效地解决了传统滑模控制器的抖动问题。

4、本发明可以使用的算法简单、可靠、工程量小，且易于工程化实现，具有较广的适用范围。

附图说明

图1是本发明的电动舵机系统控制器工作原理图。

图2a是本发明与PID控制方法的跟踪对比的实验对比图。

图2b是本发明与PID控制方法的速度死区对比的实验对比图。

图2c是本发明与PID控制方法的控制器输出对比的实验对比图。

图2d是本发明与PID控制方法的跟踪误差对比的实验对比图。

图2e是本发明与PID控制方法的正弦跟踪对比的实验对比图。

图2f是本发明与PID控制方法的节约信号跟踪对比的实验对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1所示，本发明的电动舵机系统包括电动舵机控制器、舵机驱动模块、无刷直流电机、减速器、速度传感器和位置传感器；电动舵机控制器根据舵机偏转指令及舵机反馈控制舵机偏转，包括偏转角控制、偏转速度控制。电动舵机控制器输出PWM值至舵机驱动器，舵机驱动器根据占空比的变化，驱动舵机偏转，进而实现舵机系统的高精度位置跟踪。

本发明的电动舵机控制器主要包括位置环控制器、速度环控制器和滑模控制器三部分；位置环采用常规PID控制器，输入信号为舵机偏转指令、位置反馈信号，输出信号为速度指令；速度环采用常规PID控制器，输入为速度指令、速度反馈信号，输出量为PWM控制量；滑模控制器的输入为舵机角度误差、舵机速度误差，输出为等效控制量U_eq，用于补偿换向时平顶。因此，位置环控制器和速度环控制器均通过常规PID控制器实现。

具体步骤如下：

第一步：接收舵机指令θ₀、舵机反馈角度θ、舵机反馈速度θ′，计算位置跟踪误差e_p＝θ₀-θ，速度误差e_V＝U_P-θ′。

第二步：PID控制器设计：

位置环设计U_P＝K^p _P·e_P+K^p _I∫e_P

速度环设计U_V＝K^v _P·e_V+K^v _I∫e_V

其中，K^p _P、K^p _I为位置环PI控制器参数，K^v _P、K^v _I为速度环PI控制器参数，可根据系统性能指标求得。

第三步：滑模控制器设计：

在大角度时，电动舵机控制器采用常规PID控制器，其中大角度指的是指令角度比较大，一般是角度大于5度；

在小角度时，引入滑模控制器，所述滑模控制器用于补偿方向切换时出现的平顶现象，对趋近律进行改进，提出新的趋近律；其中小角度指的是指令角度比较小，一般是角度小于1度，

常规PID控制器对非线性因素的鲁棒效果较差，为了提高系统鲁棒性，引入滑模控制器。

滑模面设计

其中，e_p为位置跟踪误差。

为了提高对平顶的削弱效果，提出新的趋近律，实现舵机换向时最大效率的补偿静摩擦等非线性因素，进而最大限度减少平顶时间。新的趋近律设计为：

趋近律

其中定义切换函数为

进而得到滑模控制器输出等效控制量U_eq为：

第四步：设计开关函数设计：

为了削弱滑模控制器的抖动，引入开关函数和边界层，限制滑模控制器的使用，开关函数定义如下：

即，边界层内采用常规PID控制器，边界层外采用滑模控制器，且每次穿越滑模面，滑模控制器仅工作一次，进而最大限度降低滑模控制器的抖动问题。

第五步：电动舵机控制器输出设计：

电动舵机控制器的输出为：U＝U_V+U_eq·sat^*(s)

控制器的输出主要分两种情况：一种为边界层内或未穿越滑模面；另一种为边界层外且穿越滑模面。

第一种控制器输出为常规PID控制器，即：

U＝U_V+U_eq×0

＝K^v _P·e_V+K^v _I∫e_V

第二种控制器输出为PID+滑模控制器，即：

第六步：控制器输出量转化为PWM占空比给舵机驱动器，舵机驱动器驱动舵机偏转。

图2a～2f为本发明的舵机控制方法与传统PID控制方法的对比，电动舵机进行0.1°、4Hz小角度正弦跟踪对比。可以看出，传统的PID控制方法由于控制器迭代的延迟、静摩擦等因素影响，做小角度正弦跟踪时，存在57ms的速度死区，位置出现较严重“平顶”现象，平顶时间约为64ms，跟踪误差为0.123°；本发明的控制方法，速度死区为10ms，位置平顶时间为12ms，跟踪误差为0.029°，平顶时间大幅缩减，跟踪精度也得到较大的提高。本发明的PID和滑模的电动舵机混合控制方法，在不影响舵机其他指标情况下，可以很好的削弱平顶问题，提高小角度情况下跟踪性能，且算法简单易于工程实现。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种PID和改进滑模的电动舵机控制器混合控制方法，其特征在于，包括：

将舵机偏转指令、位置反馈信号输入至位置环控制器，再通过位置环控制器输出速度指令；

将速度指令、速度反馈信号输入至速度环控制器，再通过速度环控制器输出PWM控制量；

将舵机角度误差、舵机速度误差输入滑模控制器，滑模控制器输出等效控制量U_eq，用于补偿换方向切换时出现的平顶现象；

其中，位置环控制器和速度环控制器均通过常规PID控制器实现；

通过常规PID控制器和滑模控制器混合控制方法实现对电动舵机的精确控制；

在大角度时，电动舵机控制器采用常规PID控制器；

在小角度时，引入滑模控制器，所述滑模控制器用于补偿方向切换时出现的平顶现象，对趋近律进行改进，提出新的趋近律：

其中定义切换函数为:

2.如权利要求1所述的PID和改进滑模的电动舵机控制器混合控制方法，其特征在于，引入开关函数和边界层，限制滑模控制器的使用，边界层内采用常规PID控制器，边界层外采用滑模控制器，且每次穿越滑模面，滑模控制器仅工作一次；

开关函数定义如下：

其中α₀为边界层，flag为标志位，sat^*(s)为饱和函数。

3.一种PID和改进滑模的电动舵机控制器混合控制系统，其特征在于，包括：

位置环控制器，舵机偏转指令、位置反馈信号输入至位置环控制器，再通过位置环控制器输出速度指令；

速度环控制器，速度指令、速度反馈信号输入至速度环控制器，再通过速度环控制器输出PWM控制量；

滑模控制器，舵机角度误差、舵机速度误差输入至滑模控制器，滑模控制器输出等效控制量U_eq，用于补偿换方向切换时出现的平顶现象；

位置环控制器和速度环控制器均通过常规PID控制器实现；

在大角度时，电动舵机控制器采用常规PID控制器；

在小角度时，引入滑模控制器，所述滑模控制器用于补偿方向切换时出现的平顶现象，对趋近律进行改进，提出新的趋近律：

其中定义切换函数为:

4.如权利要求3所述的PID和改进滑模的电动舵机控制器混合控制系统，其特征在于，引入开关函数和边界层，限制滑模控制器的使用，边界层内采用常规PID控制器，边界层外采用滑模控制器，且每次穿越滑模面，滑模控制器仅工作一次；

开关函数定义如下：

Images