[发明专利]一种基于最优滑模的四旋翼飞行器的容错控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于最优滑模的四旋翼飞行器的容错控制方法，属于飞行器故障诊断与容错控制领域。

背景技术

直升机类型有很多，主要包括：单旋翼直升机，双旋翼直升机(纵列式、横列式)和四旋翼直升机。其中四旋翼直升机，作为直升机发展的一个新的分支，其结构和飞行原理与传统直升机不同，具有前后以及左右两套螺旋桨，通过改变推进器来改变升力大小，进而改变位置和姿态。它可以很容易地实现垂直起飞和着陆、悬停、横向和纵向飞行等动作。与常规布局直升机相比，结构更简单，四个转子产生的反扭力矩可以彼此抵消，没有特殊的反扭桨矩。与此同时，四旋翼直升机具有体积小、重量轻、成本低、使用灵活、隐蔽性好等优点，因此广泛应用在军用和民用领域。四旋翼直升机是一个复杂的被控对象，具有多输入多输出以及非线性、强耦合、时滞等各种各样的复杂问题，且在飞行过程中会不可避免地遇到风扰、发动机振动等不确定因素，加之缺少人为实时操纵，直升机一旦发生故障，将会引起灾难性后果。因此容错控制器需要在系统存在时滞和不确定性的情况下仍然具备较强的容错能力。

目前对四旋翼飞行器的容错控制方法主要分为主动容错控制和被动容错控制，其中主动容错控制通过故障调节或信号重构，保证故障发生后系统的稳定性，该方法设计灵活，容错能力强，但控制器结构较为复杂，且需要获得明确的故障信息，系统设计成本较高.相对于主动容错控制，被动容错控制是在不改变控制器结构和参数的条件下，利用控制器自身鲁棒性来使闭环系统对某些故障具有不敏感性，以实现系统在发生故障后仍然能在原有性能指标下运行，这种控制方法设计较为简单且成本较低，不需要知道明确的故障信息，尤其是含有多种不确定因素的非线性系统中，采用被动容错控制更为合适

由于滑模控制的滑动模态对系统参数摄动和外加干扰有完全的自适应性，因此非常适合处理四旋翼直升机飞控系统的被动容错控制问题。它的控制是不连续的，控制过程中，闭环系统的结构不停的变化，迫使系统状态沿着预先设计好的滑模面运动，渐渐“滑”向状态平衡点，即渐近稳定。其最主要的优点是一旦系统状态量到达滑模面，系统便不受参数变化和外界扰动的影响。滑模控制广泛用于飞控系统中，为飞控系统的容错控制提供了新思路。

然而，滑模容错控制中仍然有不少问题需要解决。例如，如何提高滑动模态的鲁棒性，如何减少趋近时间，以及如何保证理想滑动模态是最优的。为了保证滑动模态的鲁棒性并且提高容错控制的效果，可以引入最优控制的思想。结合滑模控制，最优滑模控制律能够有效简化控制器，节约成本。

现有方法不能全面考虑实际系统可能存在的诸如时滞、不确定性、故障等各种因素，对复杂的飞控系统很难有很好的控制效果，因此本发明有很好的实用性。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于最优滑模的四旋翼飞行器的容错控制方法，能够有效消除时滞带来的负面影响，使得理想滑动模态性能最优，容错控制律能够克服故障对系统的影响。

技术方案：一种基于最优滑模的四旋翼飞行器的容错控制方法，其特征在于：考虑四旋翼飞行器存在时滞和执行器故障，结合最优控制和滑模控制，提出一种最优容错控制方法，使得飞行器在发生执行器故障后能够继续安全飞行，并保证良好的飞行品质。根据所获取的飞行器的模型参数，设计一种具有时滞补偿的积分滑模面，消除时滞的影响，针对标称系统设计二次型最优性能指标，获得最优理想滑动模态，进而设计相应滑模控制律，最终构成最优容错控制器。包括如下具体步骤：

步骤1)建立四旋翼飞行器的数学模型：

其中A∈R^n×n，A_d∈R^n×n，B∈R^n×m，C∈R^p×n，x∈Rⁿ是系统的状态变量，ΔA(t)和ΔA_d(t)是建模不确定性，x(t-τ)表示时间滞后的状态变量，u(t)∈R^m是系统的控制输入，f(x，t)∈Rⁿ表示执行器故障。

步骤2)针对以上具有时滞和执行器故障的四旋翼飞控系统，进行标称系统的最优滑模设计：

系统(1)的标称系统为：

在标称系统(2)中，令u＝u₀，然后定义二次型最优性能指标如下：

这里Q∈R^n×n是半正定状态权矩阵，而R∈R^n×m是一个正定的权矩阵。

根据N次迭代方法，最优控制律的近似解为：