复杂飞行器鲁棒容错控制技术研究

论文摘要

目前，随着科学技术快速发展与进步，飞行器变得越来越复杂，人们对复杂飞行器的安全性、可靠性及可维护性要求越来越高。为了大量的减少灾难性事故发生、减少社会经济损失以及保障人民的生命安全，飞行控制系统的主动容错控制技术为解决复杂飞行器飞行安全问题提供了一条选择之路。在过去的几十年里，复杂控制系统的故障诊断与容错控制技术得到了长足发展，尤其最近十几年，伴随着计算机网络技术、模式识别、机器学习和各种先进控制算法的快速发展，许多新方法和新技术被引入到该研究领域中，大大丰富了飞行控制系统主动容错控制技术的研究内容。目前美、俄、法、英、日等航空航天强国对各种复杂飞行器的研究投入了大量的人力和物力，并已取得了大量的研究成果，有些关键性技术已进入工程化验证阶段。我国作为一个世界性大国，应该加大力度发展以之相关的各项关键性技术，以便进行技术储备。本研究主要是在基于前人已有的研究基础上，针对固定翼飞行器和多旋翼飞行器，进一步研究主动鲁棒容错控制技术。本文研究内容主要分为如下五部分：第一：针对近空间飞行器姿态控制系统，基于神经网络技术和指令滤波反演方法，提出一种鲁棒容错控制方法，首先给出近空间飞行器姿态控制系统的数学模型，并在此基础上考虑建模误差引起的不确定和外部干扰，及操纵面故障下NSV姿态控制系统的状态方程。主要的设计涉及两个单元，一个是辅助系统的设计，一个是基于辅助系统的控制器的设计。辅助系统引入神经网络确保辅助系统的鲁棒性。并且通过Lyapunov定理严格证明闭环系统的稳定性。最后在近空间飞行器姿态控制系统上进行Matlab仿真验证，仿真结果显示所提的方法可以使得具有外部干扰的不确定飞控系统在操纵面损伤下具有理想的容错跟踪性能。第二：针对近空间飞行器姿态控制系统，并考虑飞行器的操纵面偏转的位置饱和和速率约束。基于动态控制分配方法，提出在发生操纵面卡死和损伤故障情况下的控制重新分配方法。其中伪控制器的设计采用动态逆控制，整体容错控制架构仍然采用第二章所提的框架。首先给出系统建模误差引起的不确定和外部干扰，及操纵面卡死和损伤故障下的NSV姿态控制系统角速率控制回路的数学模型。分别设计操纵面卡死故障诊断器和一个自适应滑模观测器，并将隐含的故障和干扰信息反馈给伪控制器和动态控制分配算法，以实现操纵面卡死和损伤故障下的容错控制。最后在近空间飞行器姿态控制系统上进行Matlab仿真验证，仿真结果显示所提的方法的有效性。第三：针对近空间飞行器姿态控制系统，考虑作动器控制回路动态，基于分散式容错控制框架，设计飞控系统的作动器的损伤和卡死故障检测和辨识单元，和基于观测器的辅助系统单元，该辅助系统用来将操纵面损伤故障和干扰隐含进去。设计一个可重构容错控制器的用来实现飞行控制系统的容错控制。首先给出系统在作动器卡死，损伤，和操纵面损伤故障下的NSV姿态控制系统。其次设计一种多观测器的作动器回路故障检测和辨识单元，利用一种决策机制判断当前所发生的确切作动器故障形式。接着基于自适应滑模观测器隐含操纵面损伤故障和干扰信息，所得到个故障和隐含信息实时反馈给可重构控制器以实现各种类型故障下的容错控制。并且通过Lyapunov定理严格证明闭环系统的稳定性。最后在近空间飞行器姿态控制系统上进行Matlab仿真验证，仿真结果显示所提的方法的有效性。第四：针对非仿射非线性飞行控制系统，提出一种非仿射非线性鲁棒容错控制方法。该方法利用第二章所提的容错控制框架，并在此基础上，首先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，其次给出一种非仿射非线性可重构控制器设计方法，实现非仿射非线性系统的鲁棒自适应容错控制。理论分析和仿真结果均显示所提方法的有效性。第五：主要针对第二章所提的容错控制框架，利用第三章所提的自适应滑模观测器，设计基于自适应滑模观测器的指令滤波鲁棒反演容错控制。并进一步将该算法应用在3-DOF Hover平台上，验证该框架下所设计算法的实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表清单
• 注释表
• 缩略词
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 飞控系统的故障诊断和容错控制技术
• 1.2.1 系统故障的定义
• 1.2.2 飞控系统故障的分类及其建模
• 1.2.3 容错控制
• 1.3 本文的主要工作和创新点
• 1.3.1 本文主要研究内容
• 1.3.2 主要工作创新点
• 第二章 基于 NN 观测器的飞行器姿态鲁棒反演容错控制
• 2.1 引言
• 2.2 NSV 的再入姿态操纵面故障模型
• 2.2.1 NSV 再入姿态模型描述
• 2.2.2 NSV 操纵面损伤故障模型
• 2.3 主动容错控制设计
• 2.3.1 神经网络预备知识
• 2.3.2 自适应神经网络观测器设计
• 2.3.3 指令滤波鲁棒反演容错控制器的设计
• 2.4 仿真验证
• 2.5 小结
• 第三章 基于动态控制重新分配的飞行器姿态容错控制
• 3.1 引言
• 3.2 问题描述
• 3.2.1 操纵面卡死和损伤故障建模
• 3.2.2 操纵面的物理约束
• 3.3 容错控制系统的设计
• 3.3.1 设计故障检测和诊断单元
• 3.3.2 伪控制律的设计
• 3.3.3 控制分配
• 3.4 仿真验证
• 3.5 小结
• 第四章 考虑执行器动态的飞行器姿态分散式容错控制
• 4.1 引言
• 4.2 故障建模
• 4.3 容错控制系统的设计
• 4.3.1 作动器故障检测和识别单元
• 4.3.2 基于自适应滑模观测器的辅助系统设计
• 4.3.3 指令滤波反演容错控制器的设计
• 4.4 仿真验证
• 4.5 小结
• 第五章 非仿射非线性飞控系统鲁棒自适应容错控制
• 5.1 引言
• 5.2 问题描述
• 5.3 容错控制系统的设计
• 5.3.1 辅助系统设计
• 5.3.2 控制器设计和稳定性分析
• 5.4 仿真验证
• 5.5 小结
• 第六章 基于 3-DOF 直升机仿真平台的部分算法验证
• 6.1 引言
• 6.2 3-DOF Hover 四旋翼飞行器模型实验系统
• 6.2.1 硬件系统基本构成
• 6.2.2 软件开发平台
• 6.3 基于观测器四旋翼飞行器的鲁棒反演容错控制
• 6.3.1 四旋翼飞行器动力学及执行器故障模型
• 6.3.2 容错控制系统设计
• 6.4 仿真和实验验证
• 6.5 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 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