[发明专利]基于非仿射非线性无人飞行器鲁棒自适应容错控制方法

说明书

技术领域

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。

 

背景技术

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。

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。

 

发明内容

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：

                               (5.1)

其中：为状态向量， 为输入向量，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x_m（m=1,2…..）,其中m表示由m个信号源输入以及滤波器所得的信号源u_m（m=1,2…..）,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_c并将信号变量u_c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_c进行处理得到信号源u_m并将所得信号源u_m传输给控制器；

3）所述飞行器得到信号变量u_c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_c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。

作为本发明一种改进，所述步骤1中控制器模型如下：

                       (5.18)

选取在附近，并将在处进行泰勒级数展开得：

             (5.19)

其中：

，     (5.20)

定义，则(5.18)可以又表示为：

                (5.21)

由(5.19)可以看出，如果越接近，则泰勒级数的高阶无穷小量越趋向于0，即                               (5.22)

由于实际中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，于是这里引入滤波器用于估计和确定，引入的滤波器如下：

                            (5.23)