基于非仿射非线性无人飞行器鲁棒自适应容错控制方法
【专利摘要】本发明针对存在干扰以及参数不确定的非仿射非线性系统，给出一种非仿射非线性容错控制器设计方法。所设计的观测器能适用于参数具有非仿射形式的非线性系统，且在参数存在大范围变化情况下观测器仍然能有相当理想的鲁棒性。观测器将故障信息和扰动信息均隐含其中，然后基于观测器动态设计容错控制器，由于系统为非仿射非线性系统，控制器的设计并不容易，本申请给出一种动态非仿射非线性系统近似方法，将非仿射非线性系统近似为一个带有时变参数的仿射型非线性系统，而所需要知道的参数由一个滤波器来在线估计。利用一个非仿射飞控系统验证了所提方法的有效性，可以实现非仿射非线性系统的鲁棒容错控制。
【专利说明】基于非仿射非线性无人飞行器鲁棒自适应容错控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及飞行器姿态容错控制领域，特别是涉及基于非仿射非线性无人飞行器 鲁棒自适应容错控制方法。
[0002]
【背景技术】
[0003] 目前，基于模型的非线性控制在理论和应用上已经取得长足的发展，如反馈线性 化，滑模控制，反演控制等。自适应技术由于能在线估计未知参数，因此被广泛的和诸多非 线性控制方法结合用于设计容错控制。而自适应控制需要被估计的参数和控制输入为仿射 形式，即不确定参数和控制输入须为显性形式，或和状态变量的关系为线性化关系。飞控系 统中，常用的方法是在配平点附近线性化，如果飞行器当前的状态量和控制输入呈现非仿 射形式时，所线性化的模型就是时变的，所以基于配平点附近线性化模型设计的控制器可 能会造成闭环系统不稳定，甚至系统发散。
[0004] 要设计一个非仿射非线性系统的容错控制器不是一件简单的事情，有两个难点要 充分的解决，一是如何设计一个自适应参数估计算法，二是如何设计一个可重构控制算法。 一个比较常见的自适应参数估计算法就是将系统模型在参数标准值附近泰勒级数展开，利 用泰勒级数的低阶项设计参数观测器。这样对于参数小范围摄动的系统能取得较好的估 计，而对于故障这类参数大范围变化的系统，这样的方法很难得到理想的参数估计值，如果 系统同时存在外部干扰，估计的参数又会存在误差，甚至实现不了参数的估计。所以如何针 对故障下的非仿射非线性不确定系统设计理想的参数估计器设计值得探讨。现有的一些非 仿射非线性系统的可重构控制器都存在一定的不足，常用的逆系统方法需要寻找系统模型 的逆，虽然有文献证明了一个可控系统必然存在它的逆，但是找一个逆系统并不是意见容 易的事情，如控制输入隐含在正弦和余弦函数中。因此有文献提出一种非仿射控制器设计 方法，但是该方法最大的缺点就是会增加系统的阶数。而文献基于时标分离的方法设计了 一种非仿射控制器，但是该方法不足之处就是该方法很难和现有的自适应技术，滑模技术 等有效的结合。
[0005]
【发明内容】
[0006] 针对以上问题，本申请在所提非仿射控制器设计的基础上，基于观测器技术设计 一种将参数信息和干扰信息隐含其中的辅助系统设计控制器，实现非仿射非线性系统的鲁 棒自适应容错控制。并将该方法应用于飞控系统中，仿真结果显示所提方法的有效性，为达 此目的，本发明提供所述飞行器的系统采用非仿射非线性系统： i = f(x，u) + d(t) (5. 1) 其中：re 为状态向量，ue i?5为输入向量，d e if为未知有界的外部扰动向量，/0 为非线性函数： 具体控制步骤如下， 1) 控制器对所接收信号源输入的参数xm (m=l，2···..)，其中m表示由m个信号源输 入以及滤波器所得的信号源um (m=l，2···..)，其中m表示由m个信号源输入以及由辅助系 统所得到的不稳定信号源的参数元0； F以及飞行器的输出信号X进行处理得到信号变 量u。并将信号变量u。传输给滤波器以及飞行器以及辅助系统； 2) 所述滤波器对所得信号变量u。进行处理得到信号源um并将所得信号源um传输给控 制器； 3) 所述飞行器得到信号变量u。后通过非仿射非线性系统进行处理得到输出信号X，并 将输出信号X输出，并将输出信号X传输给控制器以及辅助系统； 4) 所述辅助系统对所得到飞行器的输出信号X以及控制器处理所得信号变量u。进行 处理得到的不稳定信号源的参数并将所得不稳定信号源的参数传输 给控制器。
[0007] 作为本发明一种改进，所述步骤1中控制器模型如下： ? = Λε + + v(f) (5. 18) 选取Κ在义附近，并将句在W处进行泰勒级数展开得： F\x為,ff)= F(x,us，&)+ -us)+ (Xf) (5. 19) 其中：
【权利要求】
1. 基于非仿射非线性无人飞行器鲁棒自适应容错控制方法，其特征在于：所述飞行器 的系统采用非仿射非线性系统： x = f(x,u)+d(t) (5. 1) 其中：xe if为状态向量，u€ if为输入向量，d e if为未知有界的外部扰动向量，/(.) 为非线性函数： 具体控制步骤如下， 1) 控制器对所接收信号源输入的参数xm (m=l，2···..)，其中m表示由m个信号源输 入以及滤波器所得的信号源um (m=l，2···..)，其中m表示由m个信号源输入以及由辅助系 统所得到的不稳定信号源的参数
以及飞行器的输出信号X进行处理得到信号变 量u。并将信号变量u。传输给滤波器以及飞行器以及辅助系统； 2) 所述滤波器对所得信号变量u。进行处理得到信号源um并将所得信号源um传输给控 制器； 3) 所述飞行器得到信号变量u。后通过非仿射非线性系统进行处理得到输出信号X，并 将输出信号X输出，并将输出信号X传输给控制器以及辅助系统； 4) 所述辅助系统对所得到飞行器的输出信号X以及控制器处理所得信号变量u。进行 处理得到的不稳定信号源的参数
并将所得不稳定信号源的参数
传输 给控制器。
2. 根据权利要求1所述的基于非仿射非线性无人飞行器鲁棒自适应容错控制方法，其 特征在于：所述步骤1中控制器模型如下：
(5. 18) 选取4在七附近，并将在4处进行泰勒级数展开得：
(5. 19) 其中：
(5. 18)可以又表示为： (5. 21) 由（5. 19)可以看出，如果心越接近心，则泰勒级数的高阶无穷小量αχ)越趋向于0,即
(5. 22) 由于实际中4是被设计的控制器所计算出来的，当前时刻是未知的，所以无法直接得 到它附近的S，于是这里引入滤波器用于估计和确定S，引入的滤波器如下： + ^ (5. 23) 因此由滤波器（5. 23)，可以得到to
，
亍是，通过以上分析， 观测器动态方程（5. 18)可以表示为：
(5. 24) 定义观测器状态变量?的跟踪误差为€ = ，利用动态逆，则基于方程（5.24)设计 控制律如下：
(5. 25) 控制增益?：可以由如下的Riccati方程求得： KrPl + P1K = -Ql (5. 26) 其中尸广矿>〇 ,a=ef >0。
3.根据权利要求1所述的基于非仿射非线性无人飞行器鲁棒自适应容错控制方法，其 特征在于：所述步骤4中辅助系统模型如下： 定义d为σ的估计值，将函数在?附近进行一阶泰勒级数展开，可得到： /(X為,· f(x為,&) + gi(x八费) (5. 7) 其中：
基于（5. 7)和（5. 8)，（5. 5)又可以写成如下方程： X = ^{χμ, , σ) + ,〇)σ + υ(?) (5. 9) 其中： = 的-S办，\，句行 (5. 10) u(f)= φ)+?(?) (5. 11) 可以看出u(i)是未知的且有界的，定义为|μ(?)||?σ : 定义f=z-x，其中z为状态x的观测值。针对（5. 9)，设计如下观测器： ζ = Λ(ζ - τ') + Jl(x,u￡, σ) + giCx.u,, σ)σ+ v(t) (5. 12) 并由如下的自适应律得出A;
(5. 13) 其中> 0 , 芦> 0且JD是#尸+ B4 = -ρ的解，其中ρ = > 0，即i为一个Hurwitz 矩阵。其可以确保估计值处于设定的最小值3和最大值R之间。滑模项设计如下，
(5. 14) 时变参数m(i)由如下自适应律更新得到： m(t) = Γετε, r<0) > Ο (5. 15) 定义失效因子估计误差为由观测器方程（5. 12)和方程（5. 9)，可以得到观 测误差动态方程为： ?=Αε+ (5. 16) 〇
【文档编号】G05B13/04GK104102132SQ201410293083
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】周洪成, 胡艳 申请人:金陵科技学院