[發(fā)明專利]一種飛翼布局飛行器的操縱面故障自適應(yīng)容錯控制方法

有效

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• 申請日: 2017-03-14
• 公開（公告）號: CN107065539B
• 公開（公告）日: 2020-01-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張紹杰;雙維芳
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 32252 南京鐘山專利代理有限公司
• 代理人: 戴朝榮

一種飛翼布局飛行器的操縱面故障自適應(yīng)容錯控制方法，設(shè)計操縱面故障參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整律以補償故障對控制性能的影響，對故障引起的氣動參數(shù)的變化帶來的系統(tǒng)不確定性，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近未知項，從而補償氣動參數(shù)變化對控制性能的影響，結(jié)合飛翼飛行器特性以及故障情況設(shè)計動態(tài)控制分配策略，利用命令濾波器對期望的控制信號進行處理，得到對應(yīng)的幅值、速率、帶寬受限的控制指令。本發(fā)明考慮了多操縱面的部分失效、卡死等組合故障，且故障引起了飛機氣動參數(shù)的變化，當(dāng)輸入受限的飛翼飛行器操縱面發(fā)生故障時，該容錯控制方法可使飛行器仍然保持穩(wěn)定，并漸近跟蹤給定的參考信號，且具有預(yù)定的動態(tài)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于飛行器的容錯控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種飛翼布局飛行器的操縱面故障自適應(yīng)容錯控制方法。

背景技術(shù)

無尾飛翼布局飛行器由于其質(zhì)量輕，隱身效果好，且具有靈活的機動性能，在無人戰(zhàn)斗機等方面得到了廣泛應(yīng)用，甚至被業(yè)界視為最有希望滿足日益增長的噪聲、排放等環(huán)境管制要求和空中交通流量需求的新型民機概念。但正是無尾布局給這類飛行器的控制帶來了新的挑戰(zhàn)：沒有水平尾翼，降低了縱向穩(wěn)定性，縱向操縱力臂短，操縱效率低，舵面偏轉(zhuǎn)容易達到飽和；沒有垂直尾翼，降低了橫側(cè)向穩(wěn)定性；新型的無尾飛機都會引入一些改進的控制舵面，包括升降副翼，阻力方向舵等等，其中升降副翼能同時實現(xiàn)俯仰和滾轉(zhuǎn)操縱，導(dǎo)致操縱舵面之間耦合嚴(yán)重。因此，傳統(tǒng)的控制方法存在很多難以解決的問題，研究新型的控制方法以適應(yīng)飛翼布局無人機控制系統(tǒng)的要求十分必要。執(zhí)行器由于長期頻繁地執(zhí)行任務(wù)，是系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的部件，如何解決無尾飛翼飛行器的執(zhí)行器故障容錯控制問題是飛行控制律設(shè)計研究人員面臨的難題。

容錯控制最初是由Niederlinski于1971年提出的完整性控制發(fā)展而來的，要求在發(fā)生故障時系統(tǒng)仍能夠穩(wěn)定運行，并具有可以接受的性能指標(biāo)。容錯控制方法一般可以分為兩大類，即被動容錯控制(Passive FTC)和主動容錯控制(Active FTC)。

典型的被動容錯控制主要是基于魯棒控制理論，利用不可改變的控制器來控制系統(tǒng)，使得整個閉環(huán)系統(tǒng)對某些確定的故障具有不敏感性。但由于故障并不是經(jīng)常發(fā)生的，其設(shè)計難免過于保守，并且其性能也不可能是最優(yōu)的，而且一旦出現(xiàn)不可預(yù)知故障，系統(tǒng)的性能甚至穩(wěn)定性都可能無法保障。

主動容錯控制在故障發(fā)生后需要重新調(diào)整控制器的參數(shù)，也可能需要改變控制器的結(jié)構(gòu)。主動容錯控制大致可以分成三大類：控制律重新調(diào)度(Control LawRedistribution)，控制器重構(gòu)設(shè)計(Control Law Reconfiguration)和模型跟隨重組控制(Model Following Restructurable Control)。前兩者在很大程度上依賴于FDD和故障隔離單元的性能好壞，而后者不需要FDD單元。模型跟隨重組控制根據(jù)控制器更新方法的不同，可以分為直接自適應(yīng)控制和間接自適應(yīng)控制。直接自適應(yīng)控制的控制器參數(shù)直接從一個自適應(yīng)規(guī)律中獲取并更新，而間接自適應(yīng)控制設(shè)計過程是首先對被控對象的未知參數(shù)進行估計，然后利用該估計值計算控制器參數(shù)。由于直接自適應(yīng)控制可以同時解決故障和系統(tǒng)本身的不確定性的，且該方法不需要故障診斷和隔離單元，可以不受故障診斷誤差的影響，同時也不會影響實時性，能夠很好的處理故障引起的不確定性，所以得到了廣泛的應(yīng)用，并已經(jīng)有不少的研究成果。

然而，目前針對飛翼飛行器操縱面故障的容錯控制，已有的研究成果很少。張棟根據(jù)飛翼無人機冗余操縱面的氣動操縱能力和故障特性，設(shè)計了操縱面故障檢測與診斷機制，并在其基礎(chǔ)上設(shè)計了控制分配重構(gòu)算法，但該方法的容錯性能好壞依賴于故障診斷算法的準(zhǔn)確性。李紅增針對飛翼布局無人機提出了一種連續(xù)滑模變結(jié)構(gòu)控制的容錯控制策略，利用滑動模態(tài)自身的魯棒性實現(xiàn)系統(tǒng)的故障容錯，且滑模面的邊界層厚度根據(jù)作動器的位置限制自適應(yīng)地調(diào)節(jié)，因此避免了作動器飽和。但滑模控制只能應(yīng)用于滿足匹配條件的不確定系統(tǒng)，而且當(dāng)穿越滑模面時，控制律是不連續(xù)的，在實際實施中，將會產(chǎn)生“抖振”，可能激起被忽略的高頻動態(tài)。