[發明專利]基于支持向量機的三自由度直升機容錯控制裝置及方法

有效

• 申請號: 201410223733.1
• 申請日: 2014-05-26
• 公開（公告）號: CN104020670B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 陳復揚;王正;姜斌;吳慶波
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D1/10
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 許方

1.一種基于支持向量機的三自由度直升機容錯控制裝置，其特征在于包括干擾與故障注入裝置、直升機系統平臺、功率放大器、數據采集卡以及計算機故障診斷裝置，其中，干擾與故障注入裝置與直升機系統平臺相連，將模擬的故障信息注入直升機系統平臺中；數據采集卡通過直升機系統平臺的內置傳感器，采集直升機的狀態信息和誤差信息；計算機故障診斷裝置接收數據采集卡傳出的狀態信息和誤差信息，得到容錯控制律，并將容錯控制律重新發送給數據采集卡；數據采集卡的信號編譯及轉換裝置處理容錯控制律后，經過功率放大器將控制指令傳輸給直升機系統平臺中的電機執行容錯調整，直到誤差為零。

2.根據權利要求1所述的基于支持向量機的三自由度直升機容錯控制裝置，其特征在于，所述的數據采集卡包括數據采集裝置、信號編譯及轉換裝置，其中數據采集裝置用于采集直升機系統平臺的電壓輸入信息和姿態角角度、角加速度輸出信息，信號編譯及轉換裝置用于處理直升機系統平臺與計算機故障診斷裝置之間的編解碼和模電轉換操作，信號編譯及轉換裝置和數據采集裝置順序連接。

3.根據權利要求1所述的基于支持向量機的三自由度直升機容錯控制裝置，其特征在于，所述的計算機故障診斷裝置包括狀態信息模塊、誤差信息模塊、SVM自適應容錯控制器、PD控制器和動態逆控制器，其中狀態信息模塊和誤差信息模塊獲得數據采集卡輸出的狀態信息和誤差信息；SVM自適應容錯控制器和PD控制器利用采集的狀態和誤差信息確定控制律，并輸出至動態逆控制器；動態逆控制器輸出的最終結果發送至數據采集卡中。

4.根據權利要求1所述的基于支持向量機的三自由度直升機容錯控制裝置的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、建立機體坐標系，確定俯仰、滾轉和偏航軸的定義，并建立正常情況下的動力學姿態的非線性動力學模型；

步驟2、確定直升機動力學姿態系統無故障時的狀態空間表達式；將故障注入系統中，確定系統故障下的狀態空間表達式；

步驟3、在步驟2的基礎上從數據采集卡中得到系統的俯仰、滾轉、偏航角大小和速度，即狀態信息，將參考模型中的狀態量參考值與上述狀態信息相減，得到誤差信息，由此構造三自由度直升機飛行姿態的容錯控制器，實時監測俯仰和滾轉方向上的執行器故障和其他干擾，并將容錯控制律輸出至數據采集卡中，經功率放大器，將控制信號傳輸給電機執行。

5.根據權利要求書4所述的基于支持向量機的三自由度直升機容錯控制裝置的控制方法，其特征在于，步驟1中所確定的正常情況下的動力學姿態的非線性動力學模型的狀態空間表達式為：

?????????????????????????????????????????????????????（1）

其中，狀態向量，、、分別為直升機的俯仰角、滾轉角和偏航角，、、分別為直升機的俯仰角速度、滾轉角速度和偏航角速度；輸入量，和分別為直升機左、右兩個電機的電壓值；、和的定義如下：

其中，-為常量系數；

定義

???????（2）

其中，為動態逆控制器的偽控制量，表示無誤差情況下的狀態量，則動態逆控制器輸出的控制輸入為

???????（3）

若無法求逆，則求出近似逆矩陣，誤差部分由步驟3中的支持向量機自適應控制器補償；

基于系統工作正常時的狀態空間表達式（1）和（2），定義故障下模型為：

??????（4）

其中?是由干擾、執行器故障、非線性誤差建模所帶來的逆誤差項。

6.根據權利要求書4所述的基于支持向量機的三自由度直升機容錯控制裝置的控制方法，其特征在于，步驟3構造的三自由度直升機飛行姿態容錯控制器，包括線性控制器、支持向量機自適應容錯控制器和動態逆控制器，系統的狀態量、誤差量由數據采集卡中的數據采集模塊分別傳入狀態信息模塊與誤差信息模塊，利用兩模塊中的數據，得到線性控制器和支持向量機自適應容錯控制器的輸出；再通過線性控制器和支持向量機自適應容錯控制器的輸出，得到動態逆控制器的控制律，輸出至數據采集卡；動態逆控制器對消直升機系統的非線性和時變特性，支持向量機自適應控制器對消多干擾、多故障及建模動態誤差引起的逆誤差，PD控制器保證系統的預期品質，下列過程為計算機故障診斷裝置具體執行步驟：

首先確定系統所需要跟蹤的參考模型，定義為

??????（5）

式中，為系統期望跟蹤的狀態，為對應的期望輸入，、為使期望系統穩定的參數；

定義故障系統公式（4）中的動態逆控制器偽控制變量ν為

????（6）

其中

???????（7）

為線性控制器輸出的偽控制信號，和分別為比例和微分系數；期望狀態

????????（8）

為支持向量機自適應容錯控制器輸出的偽控制信號；

定義狀態誤差

???????（9）

對式（9）求導，將式（6）-（8）代入，得

??????（10）

其中

????????（11）

選取系統矩陣成為霍爾維茨矩陣，保證系統穩定；

誤差表達式（10）改寫為

???????（12）

若

????（13）

即支持向量機自適應容錯控制器完全重構系統誤差，將式（5）、式（13）代入式（12），得

????（14）

若選擇和滿足

??????（15）

則

????（16）

系統狀態跟蹤參考模型（5），則系統穩定，跟蹤誤差趨向于零；

定義支持向量機輸入為，、分別為狀態量及其導數，、分別為誤差及其導數，為支持向量機自適應容錯控制器的偽控制量，則支持向量機控制器的輸入輸出關系為

????（17）

其中，為權值矩陣，核函數矩陣，為核函數，這里選擇的核函數為徑向基核函數，隱藏節點數為；

由于支持向量機能以任意精度逼近連續非線性函數，因此，對于不確定非線性逆誤差函數和任意給定的逆誤差重構誤差，存在有限個隱藏節點數和最優權值矩陣，使得

??????（18）

通過對以下李雅普諾夫穩定性分析得到的微分方程求解，以足夠高的精度進行逼近；

將式（10）改寫為

??????（19）

定義李雅普諾夫函數為

???????（20）

對式（20）求導得

????（21）

如果自適應項

???????（22）

其中是自適應增益，是滿足

??????（23）

的正定矩陣，將式（22）、式（23）代入式（21）得

????（24）

所以是一個半負定矩陣，由Barbalat定理得

???????????????????????（25）

，以上得到動態逆控制器輸出，將此容錯控制律輸出至數據采集卡中，經功率放大器，將控制信號傳輸給電機執行動作。