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电动舵机的控制方法综述

姓名 孙信星
学号 2120120079
学院 宇航

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摘要：介绍了导弹电动舵机的发展历史和研究现状及其发展趋势，着重分析了导弹电动舵机的几种控制方法以及各自的特点，使大家对导弹电动舵机的发展有一个更加清楚的认识。
关键字：电动舵机；导弹；控制
引言
导弹舵机可以分为气动舵机、液压舵机、电动舵机(electro mechanical actuator，简称EMA)等。电动舵机以其简单可靠、工艺性好、使用维护方便、等特性在导弹上得到了广泛应用。早在二战期间，美国的C21自动驾驶仪就采用了电动舵机。早期的电动舵机力矩小、响应慢，控制精度相对较低，之后两项关键技术的出现极大地促进了电动舵机的发展。一是新型稀土永磁材料和专用驱动模块，这使得电动舵机的功率质量比和可靠性大幅度上升，代表的导弹有法国的响尾蛇地空导弹等。二是数字信号处理器(DSP)的出现，以TMS320系列为代表的DSP芯片实现了舵机的数字化，极大地提高了实时处理能力和抗干扰性能。无刷直流电机、交流电动机、DSP和先进控制策略得的广泛应用，使电动舵机技术得到进一步的发展。电动舵机的发展可以归纳为三个方面：性能上高精度、高效率、高可靠性、高适应性；功能上小型化、轻型化、多功能；层次上系统化、复合集成化。采用以稀土永磁无刷直流电机和交流电机等为主的电动机技术，以微处理器为基础的数字控制技术，以现代控制理论为基础的控制规律，实现全数字化、智能化、综合化是未来电动舵机发展的总趋势。
舵机控制系统有位置闭环控制、速度闭环控制和转矩闭环控制，其中舵机位置闭环控制系统主要由控制器、驱动器、伺服电机、传动机构和位置检测装置等组成，如图1所示。
控制器
驱动器
传动机构
伺服电机
位置检测装置

图1舵机位置闭环控制系统
其工作原理为：给定位置信号，经过控制器整定和驱动器放大后，驱动电机转动，电机转动位置量经过位置检测装置传递给控制器，形成反馈回路。给定位置量与实际位置量相比较，得到误差。
导弹舵机在飞行过程中是一个不确定的非线性系统，对其的控制也需要采用非线性控制方法。目前来看，电动舵机的硬件技术已经比较成熟，电动舵机性能的提升对控制算法提出了更高的要求。经典控制理论适用于线性系统或非线性不是很强的系统，但无法满足强耦合、强非线性的导弹舵机系统的需要，当前的导弹舵机系统多是以现代控制理论为基础的。
从不同的角度出发，现代控制理论中的以下几个分支可用于导弹舵机系统：
1 最优控制
最优控制理论（optimal control theory）着重于研究使控制系统的性能指标实现最优化的基本条件和综合方法。最优控制理论所研究的问题可以概括为：对一个受控的动力学系统或运动过程，从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方案，使系统的运动在由某个初始状态转移到指定的目标状态的同时，其性能指标值为最优。这类问题广泛存在于技术领域中。
为了解决最优控制问题，必须建立描述受控运动过程的运动方程，给出控制变量的允许取值范围，指定运动过程的初始状态和目标状态，并且规定一个评价运动过程品质优劣的性能指标。通常，性能指标的好坏取决于所选择的控制函数和相应的运动状态。系统的运动状态受到运动方程的约束，而控制函数只能在允许的范围内选取。因此，从数学上看，确定最优控制问题可以表述为：在运动方程和允许控制范围的约束下，对以控制函数和运动状态为变量的性能指标函数（称为泛函）求取极值（极大值或极小值）。
求解最优控制问题最常用的有两种方法，一种是极小值原理，另一种是动态规划法。它们都能够很好的解决控制有闭集约束的变分问题。极大值原理是分析力学中哈密顿方法的推广，它的突出优点是可用于控制变量受限制的情况，能给出问题中最优控制所必须满足的条件。动态规划法是数学规划的一种，同样可用于控制变量受限制的情况，是一种很适合于在计算机上进行计算的方法。图2为变结构最优控制系统的组成框图。
控制策略库
软件切换开关
无扰切换算法
执行机构
被控对象
测量变换器
变结构最优控制算法

图2 变结构最优控制系统的框图
2自适应控制
自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统。其基本思想是：在控制系统运动过程中，系统不断测量被控系统的状态、性能或参数，从而“认识”或“掌握”系统当前的运动指标并与期望的指标相比较，进而作出决策，来改变控制器的结构、参数或根据自适应的规律来改变控制作用，以保证系统运行在某种意义下的最优或次优状态。
自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。随着过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。此时根据系统参数的变化，改变控制参数或改变控制作用，使系统运行于最优或接近于最优工作状态。自适应控制发展至今比较成熟的有两类：模型参考自适应控制和自校正控制。下表1为自适应控制与其他控制方法的比较。
表1 与其他控制方法的比较
比较对象
异同点
常规控制
由系统输出或状态改变控制，反馈增益不变
最优控制
最优控制要求对象为确定性；自适应控制所讨论的对象为结构已知、参数未知的不确定性系统；两者都是基于数学模型的方法
智能控制
智能控制所讨论的对象为结构和参数都未知，智能控制是不需要数学模型的
3鲁棒控制
自动控制系统最重要的特性是稳定性，鲁棒性是对系统稳定性的更高要求。它指系统的稳定性及性能指标对结构和参数变化的不敏感性，也即是当内部和外部条件发生变化时，系统本身仍能保持能良好运行的“鲁棒程度”。鲁棒控制就是基于这种性能指标发展起来的一类控制理论。
通常，系统的分析方法和控制器的设计大多是基于数学模型而建立的，而且，各类方法已经趋于成熟和完善。然而，系统总是存在这样或那样的不确定性。在系统建模时，有时只考虑了工作点附近的情况，造成了数学模型的人为简化；另一方面，执行部件与控制元件存在制造容差，系统运行过程也存在老化、磨损以及环境和运行条件恶化等现象，使得大多数系统存在结构或者参数的不确定性。这样，用精确数学模型对系统的分析结果或设计出来的控制器常常不满足工程要求。而鲁棒控制能很好地解决这一问题。
在鲁棒控制中，H∞控制理论是较为成熟的一种。其设计思想是对系统的频域特性进行整形，而这种通过调整系统频率域特性来获得预期特性的方法，正是工程技术人员所熟悉的技术手段，也是经典控制理论的根本。
以上介绍的几种控制方法都有各自的特点和应用范围。最优控制理论可使系统处在最优状态下，但需要建立体现系统性能指标的目标泛函；自适应控制可用于具有一个不确定性的系统，其实现过程较为复杂；鲁棒控制着重于系统的稳定性，而对系统的快速性和准确性指标关注较少。对于具有高机动性的导弹，必须要有高精度、高可靠性、快响应的舵机系统与之相配合。仅仅某一种控制方法并不能满足舵机系统的需求，这就需要将几种控制方法结合起来，以实现对系统的最佳控制。

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