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基于分数阶的电动伺服系统控制器设计
作者：杨一帆 张文静 张金鹏 李朝富 李宽欣 来源：《航空兵器》2018年第06期
DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2018.06.008
摘要：针对空空导弹稳定控制系统对舵机伺服控制分系统的快速性和机动性等性能的要求，为了提高舵机伺服分系统的性能，提出了一种基于分数阶的控制器设计方法。首先设计了一个参考整数阶PID，然后以整定后的整数阶PID控制器剪切频率和相角裕度为参考，利用图像法，设计了一个分数阶PD控制器。该算法简单，适于实时控制，抗干扰能力强。仿真结果表明了该算法的有效性，实现了对期望轨迹的高精度跟踪控制。 关键词：电动舵机;伺服系统;PID;分数阶控制器
中图分类号：TJ760.3+5;TN964文献标识码：A文章编号：1673-5048（2018）06-0050-05[SQ0] 0引言
舵机伺服分系统是空空导弹（自动驾驶仪）稳定控制系统的执行机构，其功能是根据（自动驾驶仪）稳定控制系统的给定控制信号，调节舵面，进而控制导弹的机动飞行[1]。舵机伺服分系统的性能直接决定着导弹飞行控制系统的动态品质[2]。
目前，空空导弹舵机伺服系统常用的控制策略主要包括整数阶PID控制（IOPID）[3-4]、矢量控制[5]、模糊控制[6]、自抗扰控制[7]及神经网络控制等[8]。由于舵机系统中存在着死区、饱和及摩擦干扰等非线性因素，另外舵机的气动铰链力矩负载又在一个相当大的范围内变化，使得IOPID控制器难以取得良好的控制效果[9]。专家系统、模糊控制及神经网络控制等控制算法，虽然具有一定的自适应和自学习能力，但其控制器结构复杂，不易设计，在实际工程中不易应用和推广[6]。
分数阶PID（FOPID）控制器的概念1999年由Podlubny提出[10]。由于分數阶微积分的特性，FOPID控制器有许多IOPID控制器无法达到的优点。此外，FOPID控制器的积分阶次λ和微分阶次μ可在实数范围内任意配置，使FOPID控制器具有更加灵活的控制结构，因而得到广泛应用[11-12]。
本文根据空空导弹舵机伺服系统的特点，建立了舵机伺服系统模型，辨识了系统参数，采用两步法设计了FOPD控制器。第一步，设计一个IOPID控制器，得到控制器的剪切频率和相角裕度。第二步，剪切频率和相角裕度保持不变，设计一个FOPD控制器。并在此基础上，整定控制器参数，给出仿真结果。