[发明专利]基于支持向量机的三自由度直升机容错控制装置及方法

权利要求书

1.一种基于支持向量机的三自由度直升机容错控制装置，其特征在于包括干扰与故障注入装置、直升机系统平台、功率放大器、数据采集卡以及计算机故障诊断装置，其中，干扰与故障注入装置与直升机系统平台相连，将模拟的故障信息注入直升机系统平台中；数据采集卡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；计算机故障诊断装置接收数据采集卡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卡；数据采集卡的信号编译及转换装置处理容错控制律后，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。

2.根据权利要求1所述的基于支持向量机的三自由度直升机容错控制装置，其特征在于，所述的数据采集卡包括数据采集装置、信号编译及转换装置，其中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、角加速度输出信息，信号编译及转换装置用于处理直升机系统平台与计算机故障诊断装置之间的编解码和模电转换操作，信号编译及转换装置和数据采集装置顺序连接。

3.根据权利要求1所述的基于支持向量机的三自由度直升机容错控制装置，其特征在于，所述的计算机故障诊断装置包括状态信息模块、误差信息模块、SVM自适应容错控制器、PD控制器和动态逆控制器，其中状态信息模块和误差信息模块获得数据采集卡输出的状态信息和误差信息；SVM自适应容错控制器和PD控制器利用采集的状态和误差信息确定控制律，并输出至动态逆控制器；动态逆控制器输出的最终结果发送至数据采集卡中。

4.根据权利要求1所述的基于支持向量机的三自由度直升机容错控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立机体坐标系，确定俯仰、滚转和偏航轴的定义，并建立正常情况下的动力学姿态的非线性动力学模型；

步骤2、确定直升机动力学姿态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；

步骤3、在步骤2的基础上从数据采集卡中得到系统的俯仰、滚转、偏航角大小和速度，即状态信息，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，由此构造三自由度直升机飞行姿态的容错控制器，实时监测俯仰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卡中，经功率放大器，将控制信号传输给电机执行。

5.根据权利要求书4所述的基于支持向量机的三自由度直升机容错控制装置的控制方法，其特征在于，步骤1中所确定的正常情况下的动力学姿态的非线性动力学模型的状态空间表达式为：

                                                     （1）

其中，状态向量，、、分别为直升机的俯仰角、滚转角和偏航角，、、分别为直升机的俯仰角速度、滚转角速度和偏航角速度；输入量，和分别为直升机左、右两个电机的电压值；、和的定义如下：

其中，-为常量系数；

定义

       （2）

其中，为动态逆控制器的伪控制量，表示无误差情况下的状态量，则动态逆控制器输出的控制输入为

       （3）

若无法求逆，则求出近似逆矩阵，误差部分由步骤3中的支持向量机自适应控制器补偿；

基于系统工作正常时的状态空间表达式（1）和（2），定义故障下模型为：

      （4）

其中 是由干扰、执行器故障、非线性误差建模所带来的逆误差项。

6.根据权利要求书4所述的基于支持向量机的三自由度直升机容错控制装置的控制方法，其特征在于，步骤3构造的三自由度直升机飞行姿态容错控制器，包括线性控制器、支持向量机自适应容错控制器和动态逆控制器，系统的状态量、误差量由数据采集卡中的数据采集模块分别传入状态信息模块与误差信息模块，利用两模块中的数据，得到线性控制器和支持向量机自适应容错控制器的输出；再通过线性控制器和支持向量机自适应容错控制器的输出，得到动态逆控制器的控制律，输出至数据采集卡；动态逆控制器对消直升机系统的非线性和时变特性，支持向量机自适应控制器对消多干扰、多故障及建模动态误差引起的逆误差，PD控制器保证系统的预期品质，下列过程为计算机故障诊断装置具体执行步骤：

首先确定系统所需要跟踪的参考模型，定义为

      （5）

式中，为系统期望跟踪的状态，为对应的期望输入，、为使期望系统稳定的参数；

定义故障系统公式（4）中的动态逆控制器伪控制变量ν为

    （6）

其中

       （7）

为线性控制器输出的伪控制信号，和分别为比例和微分系数；期望状态

        （8）

为支持向量机自适应容错控制器输出的伪控制信号；

定义状态误差

       （9）

对式（9）求导，将式（6）-（8）代入，得

      （10）

其中

        （11）

选取系统矩阵成为霍尔维茨矩阵，保证系统稳定；

误差表达式（10）改写为

       （12）

若

    （13）

即支持向量机自适应容错控制器完全重构系统误差，将式（5）、式（13）代入式（12），得

    （14）

若选择和满足

      （15）

则

    （16）

系统状态跟踪参考模型（5），则系统稳定，跟踪误差趋向于零；

定义支持向量机输入为，、分别为状态量及其导数，、分别为误差及其导数，为支持向量机自适应容错控制器的伪控制量，则支持向量机控制器的输入输出关系为

    （17）

其中，为权值矩阵，核函数矩阵，为核函数，这里选择的核函数为径向基核函数，隐藏节点数为；

由于支持向量机能以任意精度逼近连续非线性函数，因此，对于不确定非线性逆误差函数和任意给定的逆误差重构误差，存在有限个隐藏节点数和最优权值矩阵，使得

      （18）

通过对以下李雅普诺夫稳定性分析得到的微分方程求解，以足够高的精度进行逼近；

将式（10）改写为

      （19）

定义李雅普诺夫函数为

       （20）

对式（20）求导得

    （21）

如果自适应项

       （22）

其中是自适应增益，是满足

      （23）

的正定矩阵，将式（22）、式（23）代入式（21）得

    （24）

所以是一个半负定矩阵，由Barbalat定理得

                       （25）

，以上得到动态逆控制器输出，将此容错控制律输出至数据采集卡中，经功率放大器，将控制信号传输给电机执行动作。