[发明专利]基于自适应分配技术的飞行控制系统的容错控制方法

说明书

本发明公开了基于自适应分配技术的飞行控制系统的容错控制方法，首先将跟踪误差的积分引入到已建立的有执行器故障的线性模型之中，得到增广系统；其次引入虚拟输入，利用重分配技术对控制输入进行了最优分配；最后利用模型参考自适应在无故障和有故障的情况下设计了容错控制方案，其中在有故障情况下，引入了滤波回归矩阵，加快了自适应的速率。本发明可以使飞行器在执行器发生多种未知故障的情况下能够正常快速的跟踪所期望的姿态。

技术领域

本发明属于航空航天飞行控制领域，具体涉及一种无人机飞行控制系统的容错控制方法。

背景技术

目前高度复杂化和自动化的趋势使得航空航天工程系统容易受到系统组件故障的影响。进一步，故障将会导致轻微甚至是灾难性的事故。对于致命的飞机事故，执行器的效率损失是最重要的因素之一；而一个执行器的卡死故障是效率损失中最严重的情况之一。基于以上考虑，设计者经常在飞行器上增加冗余执行器，它可以为容错控制系统的设计提供自由度。控制分配(CA)是一种管理执行器冗余有效的方法，它以最佳方式分配虚拟控制律给冗余执行器，同时考虑到它们的幅度约束。特别是，当一些执行器失效或损坏时，控制分配技术能够利用剩余的健康执行器来确保飞机性能良好。现在关于控制分配有几种受欢迎的方法，奥本海默对线性控制分配技术进行了综述，并详细介绍了这些方法。Bodson评估了控制分配的优化的性能和计算需求。

目前，控制分配技术被广泛的应用于容错控制方面。人们引入一个最优控制分配算法把控制命令分配给每一个执行器并实现能源消耗率的最优。Alwi利用控制分配的滑模控制实现了容错控制。Casavola使用一个在线参数估计器和一个控制分配算法实现了自适应的控制重新配置。但是这些方法中，没有能保证包含未知故障的分配矩阵可以在有限时间内被估计；并且很少有考虑饱和情况下的容错控制；最后，现有的方法很少应用到无人机姿态系统上。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有的执行器存在效率损失，饱和的问题。

技术方案：为解决上述问题，本发明提供以下技术方案：基于自适应分配技术的飞行控制系统的容错控制方法，包含以下步骤：

步骤一、通过选择无人机飞行过程中的各动作指标分别作为状态变量和控制输入量，建立有执行器故障无人驾驶飞行器的线性时不变模型；

步骤二、将跟踪误差的积分引入到系统状态之中，得到增广系统；

步骤三、控制重分配的设计；

步骤四、分别在无故障情况和故障情况下，进行自适应容错控制方案的设计。

进一步地，所述步骤1中，通过选择无人机飞行过程中的滚转角速率、偏航角速率和侧滑角为状态变量，选择方向舵偏角、左右尾翼偏角和左右副翼偏角为控制输入量，选择三个状态变量作为输出量，建立有执行器故障无人驾驶飞行器的线性时不变模型：

其中，x(t)∈R³表示状态向量，公式中的x(t)上有“.”的是x(t)的导数；u(t)∈R⁵表示控制输入；y(t)∈R³表示测量输出；A，B，C分别为状态矩阵，控制输入矩阵和测量输出矩阵；Δ是一个不确定常值的效率损失因子，它可以表示为Δ＝diag(ρ₁,ρ₂,······,ρ₅)，其中ρ_i表示第i个执行器的效率损失；当i＝1时，第i个执行器正常工作；当i＝0时，第i个执行器完全失效；当0＜i＜1时，第i个执行器遭受部分效率损失故障。

进一步地，所述步骤2中，得到的增广系统如下：