[發明專利]一種基于最優滑模的四旋翼飛行器的容錯控制方法

在審

• 申請號: 201710045235.6
• 申請日: 2017-01-17
• 公開（公告）號: CN106647584A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 楊蒲;潘旭;劉劍慰;郭瑞誠;姜斌
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B19/048
• 分類號: G05B19/048
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于最優滑模的四旋翼飛行器的容錯控制方法，屬于飛行器故障診斷與容錯控制領域。

背景技術

直升機類型有很多，主要包括：單旋翼直升機，雙旋翼直升機(縱列式、橫列式)和四旋翼直升機。其中四旋翼直升機，作為直升機發展的一個新的分支，其結構和飛行原理與傳統直升機不同，具有前后以及左右兩套螺旋槳，通過改變推進器來改變升力大小，進而改變位置和姿態。它可以很容易地實現垂直起飛和著陸、懸停、橫向和縱向飛行等動作。與常規布局直升機相比，結構更簡單，四個轉子產生的反扭力矩可以彼此抵消，沒有特殊的反扭槳矩。與此同時，四旋翼直升機具有體積小、重量輕、成本低、使用靈活、隱蔽性好等優點，因此廣泛應用在軍用和民用領域。四旋翼直升機是一個復雜的被控對象，具有多輸入多輸出以及非線性、強耦合、時滯等各種各樣的復雜問題，且在飛行過程中會不可避免地遇到風擾、發動機振動等不確定因素，加之缺少人為實時操縱，直升機一旦發生故障，將會引起災難性后果。因此容錯控制器需要在系統存在時滯和不確定性的情況下仍然具備較強的容錯能力。

目前對四旋翼飛行器的容錯控制方法主要分為主動容錯控制和被動容錯控制，其中主動容錯控制通過故障調節或信號重構，保證故障發生后系統的穩定性，該方法設計靈活，容錯能力強，但控制器結構較為復雜，且需要獲得明確的故障信息，系統設計成本較高.相對于主動容錯控制，被動容錯控制是在不改變控制器結構和參數的條件下，利用控制器自身魯棒性來使閉環系統對某些故障具有不敏感性，以實現系統在發生故障后仍然能在原有性能指標下運行，這種控制方法設計較為簡單且成本較低，不需要知道明確的故障信息，尤其是含有多種不確定因素的非線性系統中，采用被動容錯控制更為合適

由于滑?？刂频幕瑒幽B對系統參數攝動和外加干擾有完全的自適應性，因此非常適合處理四旋翼直升機飛控系統的被動容錯控制問題。它的控制是不連續的，控制過程中，閉環系統的結構不停的變化，迫使系統狀態沿著預先設計好的滑模面運動，漸漸“滑”向狀態平衡點，即漸近穩定。其最主要的優點是一旦系統狀態量到達滑模面，系統便不受參數變化和外界擾動的影響?；？刂茝V泛用于飛控系統中，為飛控系統的容錯控制提供了新思路。

然而，滑模容錯控制中仍然有不少問題需要解決。例如，如何提高滑動模態的魯棒性，如何減少趨近時間，以及如何保證理想滑動模態是最優的。為了保證滑動模態的魯棒性并且提高容錯控制的效果，可以引入最優控制的思想。結合滑?？刂?，最優滑?？刂坡赡軌蛴行Ш喕刂破?，節約成本。

現有方法不能全面考慮實際系統可能存在的諸如時滯、不確定性、故障等各種因素，對復雜的飛控系統很難有很好的控制效果，因此本發明有很好的實用性。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術，提出一種基于最優滑模的四旋翼飛行器的容錯控制方法，能夠有效消除時滯帶來的負面影響，使得理想滑動模態性能最優，容錯控制律能夠克服故障對系統的影響。

技術方案：一種基于最優滑模的四旋翼飛行器的容錯控制方法，其特征在于：考慮四旋翼飛行器存在時滯和執行器故障，結合最優控制和滑模控制，提出一種最優容錯控制方法，使得飛行器在發生執行器故障后能夠繼續安全飛行，并保證良好的飛行品質。根據所獲取的飛行器的模型參數，設計一種具有時滯補償的積分滑模面，消除時滯的影響，針對標稱系統設計二次型最優性能指標，獲得最優理想滑動模態，進而設計相應滑模控制律，最終構成最優容錯控制器。包括如下具體步驟：

步驟1)建立四旋翼飛行器的數學模型：

其中A∈R^n×n，A_d∈R^n×n，B∈R^n×m，C∈R^p×n，x∈Rⁿ是系統的狀態變量，ΔA(t)和ΔA_d(t)是建模不確定性，x(t-τ)表示時間滯后的狀態變量，u(t)∈R^m是系統的控制輸入，f(x，t)∈Rⁿ表示執行器故障。

步驟2)針對以上具有時滯和執行器故障的四旋翼飛控系統，進行標稱系統的最優滑模設計：

系統(1)的標稱系統為：

在標稱系統(2)中，令u＝u₀，然后定義二次型最優性能指標如下：

這里Q∈R^n×n是半正定狀態權矩陣，而R∈R^n×m是一個正定的權矩陣。

根據N次迭代方法，最優控制律的近似解為：