一种针对状态时滞的四旋翼直升机容错控制装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于直升机容错控制技术领域，特别是一种针对状态时滞的四旋翼直升机 容错控制装置及方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，四旋翼直升机广泛应用于救援，搜索和监视等领域。四旋翼直升机的动力 学模型是一个欠驱动，高度耦合的非线性系统，所以四旋翼的控制研究是具有一定的挑战 性的热门项目。通常由于外部干扰，时延和执行器性能衰减等问题，会导致四旋翼发直升机 生各种故障。为保证系统的应急处理能力，确保系统安全运行，对系统进行故障评估、分析 和容错控制至关重要。
[0003] 为了实现四旋翼直升机容错控制系统设计，目前普遍采用基于硬件冗余的方法来 提高系统的可靠性，但同时也会增加成本、四旋翼直升机的重量和控制系统的复杂性。而 基于解析冗余的故障诊断利用先进的控制理论估计出故障发生的位置、大小和系统状态向 量，挖掘系统本身冗余设计控制律，节约成本，有效抑制故障效果，监控系统正常运行，但是 现有技术中尚无相关描述。
[0004] 由于信息传输和测量的延迟，各类控制系统普遍存在时滞问题，所以针对时滞系 统的控制问题在近年来获得了较大的关注。对于存在状态时滞的四旋翼直升机，由于时滞 将导致控制系统的震荡，其飞行性能必然会受到较大的影响。为了确保直升机良好的飞行 性能，解决其时滞问题十分关键。
【发明内容】
[0005] 针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种针对状态时滞的四旋翼直升 机容错控制装置及方法，以解决四旋翼直升机系统在干扰、状态时延以及多故障条件下的 容错控制问题。。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] -种针对状态时滞的四旋翼直升机容错控制装置，包括故障注入模块、直升机系 统平台、数据采集模块、故障诊断模块以及功率放大器，其中，
[0008] 故障注入模块与直升机系统平台相连接，将模拟的故障信息注入直升机系统平 台；
[0009] 数据采集模块通过直升机系统平台的内置传感器，采集直升机的状态信息和误差 信息；
[0010] 故障诊断模块与数据采集模块相连，接收数据采集模块传出的状态信息和误差信 息，得到容错控制律，并将容错控制律重新发送给数据采集模块；
[0011] 功率放大器与数据采集模块和直升机系统平台相连，数据采集模块处理容错控制 律后，经过功率放大器将控制指令传输给直升机系统平台中的电机执行容错调整，直到误 差为零。
[0012] 所述数据采集模块包括数据采集装置、信号编译及转换模块，其中，
[0013] 数据采集装置用于采集直升机系统平台的电压输入信息和姿态角角度；
[0014] 信号编译及转换装置用于处理直升机系统平台与故障诊断模块之间的编解码和 模数转换操作；
[0015] 信号编译及转换装置和数据采集装置顺序连接。
[0016] 所述故障诊断模块包括状态信息模块、误差信息模块、改进的保性能控制器、模型 参考自适应控制器，其中，
[0017] 状态信息模块和误差信息模块获得数据采集模块输出的状态信息和误差信息；
[0018] 改进的保性能控制器和模型参考自适应控制器利用采集的状态信息和误差信息 确定容错控制律，并发送至数据采集模块。
[0019] 所述改进的保性能控制器由模型参考线性二次调节器和保性能控制器两个部分 组成；模型参考线性二次调节器用来跟踪参考系统，抑制扰动以及解决保性能控制器不能 用于状态系数矩阵不满秩的线性模型的问题；保性能控制器用于解决状态时延问题。
[0020] 所述直升机系统平台为3-D0F hover平台。
[0021] -种基于上述的装置的针对状态时滞的四旋翼直升机容错控制装置方法，包括以 下步骤：
[0022] 步骤1、建立四旋翼直升机机体坐标系，确定俯仰、偏航和滚转轴的定义，并建立正 常情况下的动力学姿态角的线性动力学模型；
[0023] 步骤2、确定四旋翼直升机动力学姿态角系统无故障时的状态空间表达式；将故 障注入系统中，确定系统故障下的状态空间表达式；
[0024] 步骤3、在步骤2的基础上从数据采集模块中得到系统的状态信息，状态信息包括 俯仰、偏航、滚转角大小，将参考模型中的状态量参考值与上述状态信息相减，得到误差信 息，由此构造四旋翼直升机飞行姿态容错控制器，实时监测俯仰、偏航和滚转方向上的执行 器故障和其他干扰，并将容错控制律输出至数据采集模块，经功率放大器，将控制信号传输 给电机执行。
[0025] 本发明的有益效果是：
[0026] (1)采用软件故障注入法，不破坏姿态控制系统的完整性，且可以自由选择故障注 入的位置和大小，无需额外的硬件设备，对故障注入执行机构不造成物理破坏；
[0027] (2)改进的保性能控制器通过模型参考线性二次调节器和保性能控制器的结合， 解决了保性能控制器不适用于四旋翼直升机线性模型的问题，并有效的保证了时滞直升机 系统的鲁棒稳定性；
[0028] (3)将改进的保性能控制器和模型参考自适应控制器相结合，有效的解决了时滞 四旋翼直升机系统对故障的容错控制能力；
[0029] (4)在人机交互界面中实时反映故障注入状况、当前执行机构工作状态及姿态变 化，实现故障预警及实时监测；
[0030] (5)本发明用来验证姿态控制系统的可靠性和故障处理能力，操作方便、成本低、 性价比高、可实现性强；
[0031] (6)本发明可以用于直升机姿态控制系统半物理仿真试验阶段的执行机构故障分 析和系统可靠性分析。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明的针对时滞的四旋翼直升机容错控制装置原理图；
[0033] 图2为四旋翼直升机系统的简单模型；
[0034] 图3为无故障时系统俯仰曲线；
[0035] 图4为无故障时系统偏航曲线；
[0036] 图5为无故障时系统滚转角曲线；
[0037]图6为有故障时系统俯仰曲线；
[0038] 图7为有故障时系统偏航曲线；
[0039] 图8为有故障时系统滚转角曲线。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0041] 如图1所示，本发明的针对状态时滞的四旋翼直升机容错控制装置包括故障注入 模块、直升机系统平台、数据采集模块、故障诊断模块以及功率放大器，其中，
[0042] 故障注入模块与直升机系统平台相连接，将模拟的故障信息注入直升机系统平 台；
[0043] 数据采集模块通过直升机系统平台的内置传感器，采集直升机的状态信息和误差 信息；
[0044] 故障诊断模块与数据采集模块相连，接收数据采集模块传出的状态信息和误差信 息，得到容错控制律，并将容错控制律重新发送给数据采集模块；
[0045] 功率放大器与数据采集模块和直升机系统平台相连，数据采集模块处理容错控制 律后，经过功率放大器将控制指令传输给直升机系统平台中的电机执行容错调整，直到误 差为零。
[0046] 数据采集模块包括数据采集装置、信号编译及转换模块，其中，
[0047] 数据采集装置用于采集直升机系统平台的电压输入信息和姿态角角度；
[0048] 信号编译及转换装置用于处理直升机系统平台与故障诊断模块之间的编解码和 模数转换操作；
[0049] 信号编译及转换装置和数据采集装置顺序连接。
[0050] 故障诊断模块包括状态信息模块、误差信息模块、改进的保性能控制器、模型参考 自适应控制器，其中，
[0051] 状态信息模块和误差信息模块获得数据采集模块输出的状态信息和误差信息；
[0052] 改进的保性能控制器和模型参考自适应控制器利用采集的状态信息和误差信息 确定容错控制律，并发送至数据采集模块。