復(fù)雜飛行器魯棒容錯(cuò)控制技術(shù)研究.pdf

1、目前,隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展與進(jìn)步,飛行器變得越來(lái)越復(fù)雜,人們對(duì)復(fù)雜飛行器的安全性、可靠性及可維護(hù)性要求越來(lái)越高。為了大量的減少災(zāi)難性事故發(fā)生、減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失以及保障人民的生命安全,飛行控制系統(tǒng)的主動(dòng)容錯(cuò)控制技術(shù)為解決復(fù)雜飛行器飛行安全問(wèn)題提供了一條選擇之路。在過(guò)去的幾十年里,復(fù)雜控制系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展,尤其最近十幾年,伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)和各種先進(jìn)控制算法的快速發(fā)展,許多新方法和新技術(shù)被引入

2、到該研究領(lǐng)域中,大大豐富了飛行控制系統(tǒng)主動(dòng)容錯(cuò)控制技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。
　　目前美、俄、法、英、日等航空航天強(qiáng)國(guó)對(duì)各種復(fù)雜飛行器的研究投入了大量的人力和物力,并已取得了大量的研究成果,有些關(guān)鍵性技術(shù)已進(jìn)入工程化驗(yàn)證階段。我國(guó)作為一個(gè)世界性大國(guó),應(yīng)該加大力度發(fā)展以之相關(guān)的各項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù),以便進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。本研究主要是在基于前人已有的研究基礎(chǔ)上,針對(duì)固定翼飛行器和多旋翼飛行器,進(jìn)一步研究主動(dòng)魯棒容錯(cuò)控制技術(shù)。本文研究?jī)?nèi)容主要分為如下五部分

3、:
　　第一:針對(duì)近空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng),基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和指令濾波反演方法,提出一種魯棒容錯(cuò)控制方法,首先給出近空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上考慮建模誤差引起的不確定和外部干擾,及操縱面故障下NSV姿態(tài)控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程。主要的設(shè)計(jì)涉及兩個(gè)單元,一個(gè)是輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì),一個(gè)是基于輔助系統(tǒng)的控制器的設(shè)計(jì)。輔助系統(tǒng)引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確保輔助系統(tǒng)的魯棒性。并且通過(guò) Lyapunov定理嚴(yán)格證明閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后在近空間飛

4、行器姿態(tài)控制系統(tǒng)上進(jìn)行Matlab仿真驗(yàn)證,仿真結(jié)果顯示所提的方法可以使得具有外部干擾的不確定飛控系統(tǒng)在操縱面損傷下具有理想的容錯(cuò)跟蹤性能。
　　第二:針對(duì)近空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng),并考慮飛行器的操縱面偏轉(zhuǎn)的位置飽和和速率約束?；趧?dòng)態(tài)控制分配方法,提出在發(fā)生操縱面卡死和損傷故障情況下的控制重新分配方法。其中偽控制器的設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)逆控制,整體容錯(cuò)控制架構(gòu)仍然采用第二章所提的框架。首先給出系統(tǒng)建模誤差引起的不確定和外部干擾,及操縱面

5、卡死和損傷故障下的NSV姿態(tài)控制系統(tǒng)角速率控制回路的數(shù)學(xué)模型。分別設(shè)計(jì)操縱面卡死故障診斷器和一個(gè)自適應(yīng)滑模觀測(cè)器,并將隱含的故障和干擾信息反饋給偽控制器和動(dòng)態(tài)控制分配算法,以實(shí)現(xiàn)操縱面卡死和損傷故障下的容錯(cuò)控制。最后在近空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)上進(jìn)行Matlab仿真驗(yàn)證,仿真結(jié)果顯示所提的方法的有效性。
　　第三:針對(duì)近空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng),考慮作動(dòng)器控制回路動(dòng)態(tài),基于分散式容錯(cuò)控制框架,設(shè)計(jì)飛控系統(tǒng)的作動(dòng)器的損傷和卡死故障檢測(cè)和

6、辨識(shí)單元,和基于觀測(cè)器的輔助系統(tǒng)單元,該輔助系統(tǒng)用來(lái)將操縱面損傷故障和干擾隱含進(jìn)去。設(shè)計(jì)一個(gè)可重構(gòu)容錯(cuò)控制器的用來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)的容錯(cuò)控制。首先給出系統(tǒng)在作動(dòng)器卡死,損傷,和操縱面損傷故障下的NSV姿態(tài)控制系統(tǒng)。其次設(shè)計(jì)一種多觀測(cè)器的作動(dòng)器回路故障檢測(cè)和辨識(shí)單元,利用一種決策機(jī)制判斷當(dāng)前所發(fā)生的確切作動(dòng)器故障形式。接著基于自適應(yīng)滑模觀測(cè)器隱含操縱面損傷故障和干擾信息,所得到個(gè)故障和隱含信息實(shí)時(shí)反饋給可重構(gòu)控制器以實(shí)現(xiàn)各種類型故障下的容

7、錯(cuò)控制。并且通過(guò) Lyapunov定理嚴(yán)格證明閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后在近空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)上進(jìn)行Matlab仿真驗(yàn)證,仿真結(jié)果顯示所提的方法的有效性。
　　第四:針對(duì)非仿射非線性飛行控制系統(tǒng),提出一種非仿射非線性魯棒容錯(cuò)控制方法。該方法利用第二章所提的容錯(cuò)控制框架,并在此基礎(chǔ)上,首先基于觀測(cè)器技術(shù)設(shè)計(jì)一種將參數(shù)信息和干擾信息隱含其中的輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器,其次給出一種非仿射非線性可重構(gòu)控制器設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)非仿射非線性系統(tǒng)的魯棒自