一种针对线性参数变化飞行器的自修复控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种针对线性参数变化飞行器的自修复控制方法，尤其涉及一种基于 自适应观测器和自适应控制的线性参数变化飞行器自修复控制方法。
【背景技术】
[0002] 飞行器飞行控制系统是飞行器的重要组成部分，对于飞行器的飞行性能和安全性 能起着非常重要的作用。飞行器在飞行中会受到故障、扰动等不确定因素的影响，这些因素 将直接影响飞行器的安全性能及飞行品质。因此，研宄飞行器飞行控制系统的自修复控制 具有重要意义。
[0003] 自修复控制，是指在设计飞行控制系统时，利用其控制机构本身的功能冗余，来提 高飞控系统对其机构故障及损伤的适应性，使故障后的飞机不但能够幸存，而且仍可安全 飞行。自修复控制可以用来提高飞机的生存性，改善飞行控制系统的飞行品质、安全性以及 可维护性等问题。典型的自修复控制涉及到故障诊断、可重构控制等技术。根据自修复的 修复时序来分，自修复控制可以分为直接自修复控制和间接自修复控制两大类。直接自修 复控制是一种不需要知道飞机故障或者损伤的准确信息的控制方法。重构控制在故障发生 的那一刻就开始起作用，不需要进行故障检测与隔离。从而解决了故障检测与隔离过程带 来的实时性及准确性等问题。间接自修复控制主要包括故障的检测与识别、控制律的重构。 间接自修复控制需要知道故障的详细信息，而不是把系统的故障当作标称模型。其自修复 控制具有一定的时序性。间接自修复控制的优点是概念清晰、控制精度高、继承性好，缺点 是实时性较差，存在漏警、虚警等情况。其中，如何权衡故障检测的速度与检测精度，还有待 进一步深入的研宄。
[0004] 自适应控制起源于上世纪50年代，它最初来源于学者们对宇宙飞船的轨迹控制 的研宄。系统的故障或者结构变化会使系统的参数与结构发生相应的变化，而自适应控制 则对这样的未知变化具有一定的控制能力。自适应控制就是针对具有未知的参数或者故障 的系统，进行一定的控制，来实现期望的系统性能。自适应控制可以分为间接自适应控制以 及直接自适应控制两种。对于飞行控制系统的自修复控制来说，基于间接自适应控制的自 修复控制需要对系统进行辨识，而这将使自修复控制的性能降低。随着现代控制理论的发 展，观测器理论的研宄也由建立、发展而逐渐完善起来。观测器，又名检测滤波器，在控制 系统理论中，基于观测器的故障诊断方法得到了很好的发展与研宄。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种针对线性参数变化飞行器的自修复控制方法，使有故 障的飞行器自行修复后获得满意飞行品质。
[0006] 为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
[0007] 一种针对线性参数变化飞行器的自修复控制方法，包括以下几个步骤：
[0008] 步骤一：设定线性参数变化飞行器的故障模型为：
[0009] a-{()^A [O1)x(l)+B(O1 )u(l)+B(O1)/(/)
[0010]y(t) =C(9t)x(t)
[0011] 这里，t表示时间，x(t)G1^是1!维状态变量，R表示实数；u(t)GIT为飞行器的m维控制变量；y(t)e为飞行器的r维输出变量；A(0t)、B(0t)和C(0t)为飞行器系 统的状态矩阵；f(t)为故障项；
[0012] 0t= [0 t;1 0t，2 …0t，k]TeRk，A(0t)、B(0t)和C(0t)是时变参数 0,的已 知矩阵值的函数，T为转置符号，k是时变参数向量维数，1彡k彡n，且A(0t)、B(0t)和C( 0t)为如下所示的凸多面体结构：
【主权项】
1. 一种针对线性参数变化飞行器的自修复控制方法，其特征在于：包括以下几个步 骤： 步骤一：设定线性参数变化飞行器的故障模型为：
y(t) = C( Θ t)x(t) 这里，t表示时间，x(t) 维状态变量，R表示实数；u(t) eiT为飞行器的m维 控制变量；y (t) e矿为飞行器的r维输出变量；Α( Θ t)、Β( Θ t)和c( Θ t)为飞行器系统的 状态矩阵；f(t)为故障项； 9t，2…9^]￥1^，（0〇、8(0〇和(：（01)是时变参数0 1的已知矩 阵值的函数，T为转置符号，k是时变参数向量维数，I < k < η，且A( Θ t)、Β ( Θ t)和C( Θ t) 为如下所示的凸多面体结构：
，其中q为加权项数，K q < n，i 为加权项数变量，I < i < q，α是凸多面体加权项； 步骤二：针对上述飞行器的故障模型，设计如下的自适应观测器：
其中，为观测器的状态向量；戈⑴e，为观测器的输出向量；/⑷eiT为 故障f(t)的在线辨识值；L ( Θ t) e Rnxi^是观测器的增益阵，
，Lk为常数；C 为观测器系统矩阵； 定义状态估计误差、输出估计误差和故障估计误差分别如下所示：
利用飞行器的故障模型和自适应观测器方程，得：
利用自适应观测器使得状态估计误差、输出估计误差和故障估计误差最终趋向于零， 即实现观测和故障辨识； 步骤三：故障辨识算法设计如下： /(/) = -rF(^)(,.(/) + ^.(/)) 其中，；为故障f(t)的在线辨识值，Γ是自适应学习率，
，且
步骤四：选择参考模型： ym (t) = CmXm (t)
其中，Ame RnXn，Bme RnXm，Cme Rnxn是飞行器的参考模型的系统矩阵，且Ame Rnxn是 一个稳定的系统矩阵，r(t) e Γ是系统的参考输入信号，Xm(t)为线性参数变化飞行器参 考模型的状态向量，ym(t)为参考模型的输出向量； 步骤五：针对线性参数变化飞行器的自修复控制律设计如下： U = K2r+K2KlX+K2K0x ffl+K2 V 其中，U为线性参数变化飞行器的控制量，KpKpK2为自修复控制的增益矩阵，X为线性 参数变化飞行器的状态向量，r为线性参数变化飞行器参考模型的输入向量，V为自修复 控制中的自适应控制量。
2. 如权利要求1所述的一种针对线性参数变化飞行器的自修复控制方法，其特征在 于：所述步骤五中，线性参数变化飞行器自修复控制的增益矩阵V Kn 1(2和自适应控制量 V满足以下条件：
其中，γ，〇, i = 1，2,3为常数，e(t)为状态跟踪误差，P为方程的正 定对称解，T为转置符号，矩阵Q为任意的一个对称的正定矩阵，Ae是任意稳定的系统矩阵。
3. 如权利要求1所述的一种针对线性参数变化飞行器的自修复控制方法，其特征在 于：所述线性参数变化飞行器的状态向量X满足如下： x=[uwq θ]τ 其中，u、w、q、Θ分别为飞行器的飞行速度沿机体轴的水平分量以及垂直分量、俯仰角 速率及俯仰角。
4. 如权利要求1所述的一种针对线性参数变化飞行器的自修复控制方法，其特征在 于：所述线性参数变化飞行器的输出向量满足y满足如下： y=[uwq θ]τ 其中，u、w、q、Θ分别为飞行器的飞行速度沿机体轴的水平分量以及垂直分量、俯仰角 速率及俯仰角。
5. 如权利要求1所述的一种针对线性参数变化飞行器的自修复控制方法，其特征在 于：定义飞行器的飞行控制系统的状态误差为： e(t) = x(t)-xm(t) 采用线性参数变化飞行器的自修复控制律，得到线性参数变化飞行器的状态误差的动 态方程：
【专利摘要】本发明公开一种针对线性参数变化飞行器的自修复控制方法，包括以下几个步骤：步骤一：设定线性参数变化飞行器的故障模型；步骤二：针对上述飞行器的故障模型，设计自适应观测器的表达式，定义状态估计误差、输出估计误差和故障估计误差；步骤三：设计故障辨识算法；步骤四：选择参考模型；步骤五：设计针对线性参数变化飞行器的自修复控制律以保证系统全局稳定。本发明通过设计故障辨识算法和自修复控制律实现自修复控制。
【IPC分类】G05D1-10, G05B13-04
【公开号】CN104765273
【申请号】CN201410854516
【发明人】陈复扬, 吴庆波, 姜斌, 蔡玲
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2014年12月31日