基于自适应控制的飞机多故障自修复控制方法研究

摘要

由于飞行器的复杂性，其控制系统具有非线性、强耦合、不确定性大等特点。在飞行中，飞行器易发生故障，此时，由于稳定性下降，飞行器有同时发生多种故障的可能性。因此，研究飞行器多故障下的自修复控制系统具有重要意义。固定翼飞机和旋翼直升机具有不同的故障表现形式，控制策略设计也有一定区别。考虑不同飞行器及不同控制体系的区别，本文针对高超声速飞行器高度跟踪系统、三自由度直升机姿态系统及四旋翼直升机位置姿态系统，分别研究了以下三个方面：针对飞行器受到的外部干扰，设计了基础控制律；针对建模不确定性及元部件故障，设计了鲁棒自修复控制器；针对部分或完全失效等执行器多故障，基于自适应控制，设计了自修复方案。
　　本文针对高超声速飞行器高度系统的外部干扰、建模不确定性及执行器完全失效问题，提出了支持向量机鲁棒自适应的容错控制方法。首先，针对非线性模型，设计了针对执行器突变故障的可靠控制方案，保证在突变故障的时间、类型和故障模式未知的情况下可达到容错的目的。其次，利用支持向量机泛化能力强的优点，学习了模型的状态误差，并采用基于伪输入思想的自适应参数调节法，补偿了由于建模不确定性、其他缓变故障造成的系统误差。针对三自由度直升机姿态系统的外部干扰、建模不确定性及执行器部分失效问题，本文通过机理分析法，考虑姿态角之间的复杂耦合情况，对原有线性模型重新进行了非线性建模；然后，拓展模型参考自适应方法，设计了补偿算法及自适应律，使系统在执行器失效故障、系统故障、干扰均未知的情况下，逐一补偿上述问题引起的跟踪误差，改善控制器的抗干扰特性和自修复能力，在模型参数未知的情况下，保证了系统的跟踪性能。针对四旋翼直升机姿态和位置系统的外部干扰、建模不确定性及执行器部分失效问题，由于非线性程度较高，上述自适应系统不再适用。故本文设计了基于滑模自适应控制的自修复方案。首先，基于时间尺度分析和联级控制系统理论，将非线性控制系统分解四回路联级控制系统；然后，针对存在的不确定性，对每个回路设计故障观测器；接着，针对系统参数未知的问题，提出自适应参数估计算法，估计系统参数及控制器参数，保证系统在参数未知下的鲁棒性；最后，为了保证嵌套的可行性，分析各回路收敛关系，得到各回路参数之间的不等式关系。最后，针对无故障、强干扰、多种故障等问题，对以上三个方案分别进行了仿真验证，结果表明了方法的有效性和实用性。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 本课题的国内外研究现状

1.3 本文主要研究工作与内容安排

第二章 高超声速飞行器的多故障鲁棒自适应控制

2.1 引言

2.2 高超声速飞行器的非线性纵向模型

2.3 针对完全失效故障的自适应观测器设计

2.4 针对缓变故障和模型不确定性的支持向量机补偿控制器设计

2.5 仿真验证及结果分析

2.6 本章小结

第三章 三自由度飞行器改进模型及基于自适应控制的多故障自修复控制

3.1 引言

3.2 三自由度飞行器改进模型

3.3 基于自适应控制的多故障自修复控制器设计

3.4仿真验证及结果分析

3.5本章小结

第四章 含有未知参数的四旋翼飞行器多故障自修复控制

4.1 引言

4.2四旋翼飞行器动力学模型

4.3 联级控制系统基本控制器设计

4.4 针对执行器部分失效故障的滑模自修复控制器设计

4.5 针对未知参数的自适应容错控制器设计

4.6 各控制器间的时间尺度分析

4.7 仿真验证及结果分析

4.8 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文、专利