基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制系统及方法，属于飞行器控制的【技术领域】，建立考虑了外部干扰以及执行器故障的垂直起降机动力学模型，转换动力学模型为标准形式的非线性模型，利用级联的干扰观测器、故障诊断观测器实时估计干扰、故障以及状态量，将非线性模型解耦为两个子系统并确定各子系统的控制率，再由两个子系统的控制率、故障估计值确定容错控制率。本发明考虑了外部干扰和故障作用的系统在容错控制器的作用下，实时补偿故障和干扰，迅速地减少了故障以及干扰的影响，提高了控制系统的鲁棒性。
【专利说明】基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制系统及方法，属于飞行器控制的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]垂直起降飞机是一种既具有直升飞机垂直起落和悬停的优点，又具有固定翼飞机高速平飞和机动的优点的一种新型飞行器。它是一种具有三个自由度、两个控制输入的典型的欠驱动非线性系统。近年来，由于其巨大的应用价值，尤其是军事应用价值，受到了许多国家相关学者的关注和研究。
[0003]由于垂直起降飞机具有欠驱动、强耦合和非线性的特性，在实际的飞行中，飞机的姿态不可避免地会受到周围环境中各种不确定干扰的影响，这一类扰动通常会与姿态角产生耦合进而影响到飞行的稳定性；同时，飞机的主要升力来源是推力发动机，发动机和相应执行机构的结构较为发杂，容易出现故障，导致飞机的飞行性能受损甚至出现不可预想的事故。因此，对干扰和故障进行实时检测，利用相应的冗余机制设计飞机的容错控制系统，具有现实意义和重要的工程应用价值。
[0004]近年来，滑模控制技术因其所具有的优良特性而受到越来越多的重视，该方法对参数变化和扰动不敏感，结构简单，适用于垂直起降飞机的飞行控制。针对飞行中存在的干扰影响，有学者设计了相应的干扰观测器抵消干扰的影响，改善滑模控制的抖振问题，实现高精度的轨迹跟踪控制和姿态控制，但是都没有考虑到同时存在的执行器故障问题。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制系统及方法。
[0006]本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
[0007]基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制系统，是串接在垂直起降飞机模型输入端、输出端之间闭环控制系统，具体包括:执行机构、观测器单元、容错控制器，
[0008]所述执行机构，在容错控制信号Uf以及故障fa的作用下得到垂直起降飞机的操作指令；
[0009]所述垂直起降飞机模型在外部干扰fd以及执行机构操作指令的作用下动作，以飞机质心位置(X，y)以及滚转角Θ构成所述控制系统的输出向量Y= (X，y，θ)τ;
[0010]所述观测器单元包括级联的干扰观测器、故障诊断观测器，干扰观测器根据滚转角Θ来得到干扰估计值/以及相应的状态变量观测值，故障诊断观测器根据干扰估计值
h、飞机质心位置(X，y)、容错控制信号Uf得到故障估计值I以及相应的状态变量观测值，X、y分别为飞机质心水平坐标和垂直坐标，所述状态变量观测值包括:滚转角和滚转速率的观测值I和飞机质心位置观测值α, B以及相应的速率观测值戍负;[0011]所述容错控制器，以跟踪误差信号、滚转角和滚转速率的观测值、故障估计值1、干扰估计值λ为输入，得到容错控制信号修正值，所述跟踪误差信号为由飞机质心位置以及相应速率的观测值组成的观测信号(ijvli，)与给定参考值U/⑴，>’,/⑴4(0，.七(/))的差值，xd(t)，yd(t)为飞机质心位移，1-d(?), Vil(O为飞机质心移动速率。
[0012]基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制方法，构建所述的控制系统，具体包括如下步骤:
[0013]步骤1，建立考虑了外部干扰以及执行器故障的垂直起降机动力学模型:
【权利要求】
1.基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制系统，是串接在垂直起降飞机模型输入端、输出端之间闭环控制系统，具体包括:执行机构、观测器单元、容错控制器，其特征在于: 所述执行机构，在容错控制信号以及故障的作用下得到垂直起降飞机的操作指令； 所述垂直起降飞机模型在外部干扰以及执行机构操作指令的作用下动作，以飞机质心位置以及滚转角构成所述控制系统的输出向量； 所述观测器单元包括级联的干扰观测器、故障诊断观测器，干扰观测器根据飞机滚转角和滚转速率来得到干扰估计值以及状态变量观测值，故障诊断观测器根据干扰估计值、飞机质心位置、容错控制信号得到故障估计值以及状态变量观测值，所述状态变量观测值包括:滚转角和滚转速率的观测值、飞机质心位置观测值以及速度观测值； 所述容错控制器，以跟踪误差信号、滚转角和滚转速率的观测值、故障估计值、干扰估计值为输入，得到容错控制信号修正值，所述跟踪误差信号为由飞机质心位置以及相应速率的观测值组成的观测信号与给定参考值的差值。
2.基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制方法，其特征在于构建如权利要求1所述的控制系统，具体包括如下步骤: 步骤1，建立考虑了外部干扰以及执行器故障的垂直起降机动力学模型:
3.根据权利要求2所述的基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制方法，其特征在于:外部干扰和滚转角的耦合程度为Ci1(Q)=C0s 0，d2(e) = (sin0+ 05COS0)，d3(e )=(cos θ +2)，第一、第二故障变量为fla=sin Θ fa，f2a=-cos Θ fa时，步骤I建立的动力学模型为:
【文档编号】G05B13/04GK103838145SQ201410020892
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】杨浩, 姜斌, 蒋元庆 申请人:南京航空航天大学