[發明專利]一種執行器故障下非線性系統快速終端滑模容錯控制方法

有效

• 申請號: 202110323089.5
• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN113050427B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 楊蒲;柳鵬;耿慧琳
• 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
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種新型的針對一類非線性系統的快速終端滑模容錯控制方法。針對于系統發生故障界限未知的執行器故障，設計了擴張狀態觀測器估計系統包含故障項的總不確定項及其導數，無需提前知道故障的界限，提高了容錯算法的實用性。針對于系統在有限時間內穩定的要求，設計一種新的快速終端滑模面，收斂速度在全過程快于線性滑模面，進而實現滑模面在有限時間內收斂。針對傳統滑模控制律的抖振問題，將切換項放入控制律的一階導數中，從而大大降低了控制律的抖振。本發明用于一類含有執行器故障的非線性系統的快速終端滑模容錯控制。

技術領域

本發明涉及一種針對帶有執行器故障的非線性系統設計基于快速終端滑模的容錯控制方法，屬于非線性系統容錯控制技術領域。

背景技術

如今，隨著科學技術的快速發展，人們設計出了越來越復雜的高精度系統，希望它們可以代替人執行更加復雜、危險的任務。然而，由于作業環境的復雜性與儀器自身器件繁多，系統很可能在執行任務過程中出現故障從而無法完成規定的任務，甚至造成巨大的損失。為了保證系統在發生故障后仍不影響任務的執行，容錯控制應運而生。容錯控制的目的就是在系統傳感器，執行器或元器件發生故障時，系統仍能保持閉環穩定，并且滿足一定的性能指標，從而完成預先指定的任務。在這樣的背景與需求下，容錯控制近些年來發展迅速，成為了控制學科的研究熱點之一。

四旋翼無人機是一種高度智能化、集成化的空中載具，被廣泛地運用于農業灌溉、航拍以及軍事行動中，然而由于四旋翼無人機本身構造比較精密，并且四旋翼無人機普遍應用于復雜、危險的環境中，這將極大地威脅到無人機的安全性與可靠性。四旋翼無人機發生的任何故障都很容易損壞無人機自身的儀器，機載儀器，以及它周圍環境中的設施。因此，如何保證四旋翼無人機的安全性和可靠性成為當務之急，針對四旋翼無人機系統設計容錯控制方法顯得十分重要。

總體上，四旋翼無人機容錯控制分為兩類：被動容錯控制與主動容錯控制。被動容錯控制由魯棒控制發展而來，它不需要故障檢測與診斷模塊，當故障發生時，不需要改變控制律，依靠系統的魯棒性達到對故障的不敏感。這種方法雖然設計簡單，但需要知道故障的一些先驗知識，同時控制器設計過于保守；與之相對應的，主動容錯控制需要故障檢測與診斷模塊提供故障信息，然后通過調整控制律或控制器結構達到容錯的目的。顯然，對于存在多種不確定因素的非線性系統，主動容錯控制更為靈活，也能達到更好的控制效果。研究人員在四旋翼無人機的容錯控制中融入了許多先進的控制方法，如自適應控制，神經網絡控制，模糊控制，滑模控制等等。其中，滑模控制因為對系統不確定性具有魯棒性和對系統參數攝動不敏感，因此被廣泛運用于四旋翼無人機的容錯控制。然而，被動滑模容錯控制方法需要提前知道故障的界限，因此在實際中應用受限；而一些主動滑模容錯控制方法在利用觀測器估計故障時，需要手動設置觀測器誤差檢測閾值，依賴于操作者的經驗。因此，如何設計更好的故障檢測方法對故障進行更精準地估計，是四旋翼無人機主動容錯控制亟待解決的問題。

近年來，終端滑模成為了滑模控制中一個研究熱點。它通過選取非線性滑模面，使系統狀態誤差在有限時間內到達平衡點，而且相比傳統滑模面有更快的響應速度，更高的精確度和更好的魯棒性。四旋翼無人機是一種對于快速性要求很高的智能系統，因此研究四旋翼無人機的終端滑模控制有很高的應用價值。然而，在傳統的終端滑模控制中，當系統狀態誤差接近零時，終端滑動模態的收斂速度會比線性滑動模態的收斂速度慢，導致收斂時間不是全局最優的。因此，如何實現滑動模態收斂速度的全局最優，成為了終端滑模控制中的研究熱點之一。

發明內容

發明目的：針對上述研究背景，提出一種新型的針對含有執行器故障的非線性系統快速終端滑模容錯控制方法。采用擴張狀態觀測器估計系統總的不確定性與其導數，從而實現對包含故障項的總不確定項進行補償，無需提前知道故障的界限，也不需要對觀測器故障檢測閾值進行設定，提高了容錯算法的實用性；設計了一種新的快速終端滑模面，使得收斂速度全過程快于線性滑模面，實現滑模面收斂速度的全局最優；在容錯控制律中將切換項放入控制律的一階導數中，以此大大降低控制信號的抖振，提升控制品質。