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滚珠丝杠式电动舵机非线性分析及控制策略研究

汇报人：

2024-01-19

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目录

引言

滚珠丝杠式电动舵机结构与工作原理

非线性特性分析

控制策略研究

仿真实验与结果分析

实物实验验证及结果分析

总结与展望

引言

01

航空航天技术发展

随着航空航天技术的不断进步，高精度、高稳定性的舵机系统需求日益增长。

滚珠丝杠式电动舵机的优势

滚珠丝杠式电动舵机具有高精度、高刚度、高效率等优点，在航空航天领域具有广泛应用前景。

非线性问题挑战

然而，滚珠丝杠式电动舵机存在非线性问题，如摩擦、间隙、刚度变化等，对系统性能产生不良影响。因此，研究滚珠丝杠式电动舵机的非线性特性及其控制策略具有重要意义。

国内外研究现状

目前，国内外学者在滚珠丝杠式电动舵机的建模、非线性特性分析、控制策略等方面取得了一定成果。例如，采用神经网络、模糊控制等方法对舵机非线性进行补偿和控制。

发展趋势

未来研究将更加注重滚珠丝杠式电动舵机的高性能控制，如自适应控制、鲁棒控制等，同时结合智能算法进行优化设计，提高系统精度和稳定性。

通过本研究，期望能够深入理解滚珠丝杠式电动舵机的非线性特性，提出有效的控制策略，提高系统精度和稳定性，为航空航天领域的应用提供理论和技术支持。

研究目的

本研究将采用理论分析、仿真计算和实验验证相结合的方法进行研究。首先建立滚珠丝杠式电动舵机的数学模型，分析非线性特性；然后设计相应的控制算法，并进行仿真验证；最后搭建实验平台，对理论分析和仿真结果进行实验验证。

研究方法

滚珠丝杠式电动舵机结构与工作原理

02

工作原理

滚珠丝杠式电动舵机通过电机驱动滚珠丝杠旋转，进而带动舵面偏转。传感器实时监测舵机的位置和速度，并将这些信息反馈给控制系统。控制系统根据反馈信号和指令信号，调整电机的驱动信号，实现舵机的精确控制。

工作过程

控制系统接收指令信号后，经过算法处理生成驱动信号，驱动电机旋转。电机通过联轴器带动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠的螺母与舵机输出轴相连，从而将旋转运动转换为直线运动，推动舵面偏转。同时，传感器实时监测舵机的位置和速度，并将这些信息反馈给控制系统，形成闭环控制。

电机选型

01

根据舵机的性能要求选择合适的电机类型，如直流电机、交流电机或步进电机等。同时考虑电机的功率、转速和扭矩等参数，以满足舵机的动态响应和精度要求。

滚珠丝杠选型

02

根据舵机的负载、行程和精度要求选择合适的滚珠丝杠型号。考虑滚珠丝杠的导程、直径、刚性和精度等级等因素，以确保舵机的稳定性和精度。

传感器选型

03

根据舵机的控制精度和速度要求选择合适的传感器类型，如光电编码器、旋转变压器或霍尔传感器等。同时考虑传感器的分辨率、精度和响应速度等参数，以确保控制系统的稳定性和精度。

非线性特性分析

03

摩擦非线性

滚珠丝杠与导轨之间的摩擦是主要的非线性因素，其大小和方向随运动状态和位置变化。

刚度非线性

由于结构设计和材料特性，滚珠丝杠在不同位置和负载下的刚度表现出非线性。

间隙非线性

传动链中的间隙会导致位置误差和回程误差，影响系统精度和稳定性。

03

02

01

非线性动力学模型

建立包含摩擦、刚度和间隙非线性的滚珠丝杠式电动舵机动力学模型。

仿真平台搭建

利用MATLAB/Simulink等仿真工具搭建仿真平台，实现模型的可视化和参数化。

仿真结果分析

通过仿真分析，研究非线性因素对系统性能的影响，如位置精度、速度波动和稳定性等。

搭建滚珠丝杠式电动舵机实验平台，包括驱动系统、控制系统和测量系统等。

实验平台搭建

通过实验测量滚珠丝杠的摩擦、刚度和间隙等非线性因素，为模型验证提供数据支持。

非线性因素测量

将实验结果与仿真结果进行对比分析，验证数学模型的准确性和有效性，并讨论非线性因素对系统性能的影响及改进措施。

模型验证与结果讨论

控制策略研究

04

VS

PID控制是最常用的传统控制方法之一，通过调整比例、积分和微分参数实现对舵机的精确控制。然而，PID控制对于非线性系统的控制效果并不理想，容易产生超调和振荡。

滑模变结构控制

滑模变结构控制是一种非线性控制方法，通过设计滑模面和等效控制律实现对系统的稳定控制。该方法对于参数变化和外部干扰具有较强的鲁棒性，但存在抖振问题。

PID控制

模糊控制是一种基于模糊数学和模糊逻辑的控制方法，通过模拟人的思维方式和控制经验实现对舵机的智能控制。该方法不依赖于精确的数学模型，对于非线性系统和不确定性因素具有较强的适应能力。

神经网络控制是一种基于人工神经网络的控制方法，通过学习和训练得到舵机的逆模型或控制器参数，实现对舵机的自适应控制。该方法具有较强的自学习和自适应能力，但需要大量的训练数据和计算资源。

模糊控制

神经网络控制

舵机响应速度

舵机响应速度是指舵机从接收到指令到实际执行动作所需的时间