執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系統(tǒng)，通過作動器故障檢測和辨識單元，基于觀測器的輔助系統(tǒng)和基于指令濾波的反演容錯(cuò)控制算法，基于分散式容錯(cuò)控制系統(tǒng)，用于系統(tǒng)實(shí)時(shí)得到作動器的故障信息的作動器故障檢測和辨識單元，針對姿態(tài)角速度環(huán)獲取了自適應(yīng)滑模觀測器，觀測器具有很強(qiáng)的魯棒性，無需知道不確定或者干擾的上界，將操縱面損傷故障的信息和干擾信息全隱含在其中；基于觀測器模型得到了容錯(cuò)控制器。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了多種不同類型故障和多故障情況下的魯棒容錯(cuò)控制，將容錯(cuò)控制系統(tǒng)應(yīng)用于作動器和操縱面故障情況的近空間飛行器姿態(tài)穩(wěn)定控制和跟蹤控制中，實(shí)現(xiàn)了飛行姿態(tài)魯棒容錯(cuò)控制，并達(dá)到了良好的控制性能和效果。
【專利說明】執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于近地飛行器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式 容錯(cuò)控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 作為一種新的航空航天飛行器，近空間飛行器（NSV)的故障主要由作動器，操縱 面，傳感器和結(jié)構(gòu)故障引起。為了提高NSV安全性和可靠性，NSV在氣動布局設(shè)計(jì)上已經(jīng)對 傳統(tǒng)的副翼，方向舵和升降舵進(jìn)行合理地分割，這樣可以在大大提高系統(tǒng)的可靠性和安全 性的同時(shí)，也使得姿態(tài)控制系統(tǒng)成為一個(gè)過驅(qū)動系統(tǒng)。
[0003] 基于狀態(tài)或參數(shù)估計(jì)的故障檢測和識別（FDI)技術(shù)是飛控系統(tǒng)容錯(cuò)控制最常用 的方法，它是一種基于模型的方法，目前較為主流的各種FDI方法，有觀測器方法，多模型 方法，人工智能方法，其中基于觀測器受到許多研究者的關(guān)注，觀測器方法已經(jīng)由傳統(tǒng)的線 性系統(tǒng)發(fā)展到非線性系統(tǒng)。但是針對過驅(qū)動系統(tǒng)，由于輸入個(gè)數(shù)大于輸出個(gè)數(shù)，很難得到足 夠多的激勵(lì)信號以獲得正確的故障信息。而且現(xiàn)在的FDI方法主要是針對單一類型的單個(gè) 故障，對于多個(gè)類型的多個(gè)故障，很難尋找到一個(gè)合適的FDI。而NSV在飛行過程中極可能 會由一個(gè)微小故障引起多個(gè)類型的連鎖故障。這就不得不考慮飛行器在飛行過程中的多種 故障同時(shí)發(fā)生的FDI設(shè)計(jì)問題。
[0004] 眾所周知，飛行器的操縱面由作動器控制回路驅(qū)動，在作動器回路設(shè)計(jì)方面，往往 將其設(shè)計(jì)成一個(gè)穩(wěn)定的傳遞函數(shù)。傳統(tǒng)的故障檢測和診斷單元很少涉及執(zhí)行器動態(tài)，其主 要原因是考慮執(zhí)行器動態(tài)后，原系統(tǒng)動態(tài)方程階數(shù)會相應(yīng)的增加，這會增加故障檢測和診 斷的難度。而當(dāng)設(shè)計(jì)FDI未考慮執(zhí)行器動態(tài)時(shí)，在Hard-In-Loop上會造成故障或參數(shù)的估 計(jì)存在誤差。
[0005] 基于以上討論，提出一種分散式容錯(cuò)控制框架，作動器回路的動態(tài)被充分考慮，將 飛控系統(tǒng)的FDI單元分為兩部分，一個(gè)用于進(jìn)行作動器的損傷和卡死辨識，另外一個(gè)基于 觀測器的輔助系統(tǒng)用來將操縱面損傷故障和干擾隱含進(jìn)去。設(shè)計(jì)一個(gè)可重構(gòu)容錯(cuò)控制器的 用來實(shí)現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)的容錯(cuò)控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系 統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有的故障檢測和識別技術(shù)存在的未考慮執(zhí)行器動態(tài)時(shí)，在Hard-In-Loop上 會造成故障或參數(shù)的估計(jì)存在誤差的問題。
[0007] 本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系 統(tǒng)，該執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系統(tǒng)包括：能快速地檢測出故障和識別故 障發(fā)生的類型的作動器故障檢測和辨識單元，基于觀測器的輔助系統(tǒng)和基于指令濾波的反 演容錯(cuò)控制算法。
[0008] 進(jìn)一步，作動器故障檢測和識別單元：
[0009] 故障檢測觀測器方法如下：
[0010]

【權(quán)利要求】
1. 一種執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系統(tǒng)，其特征在于，該執(zhí)行器動態(tài)的 飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系統(tǒng)包括：能快速地檢測出故障和識別故障發(fā)生的類型的作動 器故障檢測和辨識單元，基于觀測器的輔助系統(tǒng)和基于指令濾波的反演容錯(cuò)控制算法； 作動器故障檢測和識別單元： 故障檢測觀測器方法如下：
(4.8) 其中《『為估計(jì)的操縱面偏轉(zhuǎn)，λ i > 〇 ;定義殘差信號，設(shè)計(jì)閾值>〇，則得 到故障檢測時(shí)間4當(dāng)|〃；1>^；，即表示為：
(4. 9) 看出當(dāng)|?『卜5時(shí)，表示無故障發(fā)生，反之，即有故障發(fā)生； 作動器故障識別方法如下：觀測器如下所示：
(4. 10) (4. 11) 其中：<>0, <>0,劣=<-心Υ1為常數(shù)；當(dāng)執(zhí)行器未發(fā)生故障時(shí)，會 出現(xiàn)Ui = Uc;i，這得到的4=〇,因此會造成錯(cuò)誤的辨識結(jié)果，故障檢測將執(zhí)行器未發(fā)生的情 況檢測出來，當(dāng)檢測出執(zhí)行器發(fā)生故障，則啟動故障識別單元，如果確認(rèn)當(dāng)前執(zhí)行器未發(fā)生 故障，則故障識別單元不予工作，即默認(rèn)今=li, =1。
2. 如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系統(tǒng)，其特征在于， 下面給出定理來說明（4. 10)-(4. 11)的觀測器組能正確的識別作動器不同的類型故障： 定理：如果第i個(gè)作動器發(fā)生卡死故障，則得到：
證明：證明過程分為兩個(gè)部分，第一部分證明觀測器組在卡死故障下的響應(yīng)，第二部分 證明觀測器組在失效下的響應(yīng)； (4, 12) (4. 13) 第一部分證明：如果第i個(gè)作動器發(fā)生卡死故障，由％ =-?內(nèi)(《,-&/")，? = 1，···，8和 (4. 10)，得到誤差動態(tài)方程：
(4. 14) 選擇如下Lyapunov方程：
(4. 15) 對（4. 15)求導(dǎo)，并代入（4. 14)和（4. 10)的卡死故障估計(jì)算法：
(4, 16) 由（4. 16)得到=0 ;由于得到=〇，必然得到估計(jì)值limg>,=0 ;另一方 面，得到卡死故障下的針對失效故障設(shè)計(jì)的觀測器（4. 11)和當(dāng)前的執(zhí)行器動態(tài)（4. 4)之間 的誤差方程為：
(4. 17) 因?yàn)榇嬖诩?lì)信號，Uc;i不為0,且由（4. 11)第二項(xiàng)得失效估計(jì)算法，很容易得到 #0 結(jié)論； 第二部分證明：如果第i個(gè)作動器發(fā)生失效故障，得到針對卡死故障設(shè)計(jì)的觀測器 (4. 10)和當(dāng)前執(zhí)行器動態(tài)（4. 4)之間的誤差動態(tài)方程為：
(4. 18) 由于失效故障h < 1，且Uc;i不為0,而4只能輸出0或± 1，所以得到#0;另一 方面，得到作動器失效故障下的針對失效故障設(shè)計(jì)的觀測器（4. 11)和當(dāng)前的執(zhí)行器動態(tài) (4.4)之間的誤差方程為：
(4. 19) 選取如下Lyapunov方程：
(4. 20) 其中對（4.20)求導(dǎo)，并代入誤差動態(tài)方程（4. 19)和自適應(yīng)估計(jì)項(xiàng)（4. 11)， 可得到：
(4.21) 由（4. 21)得到limf，^=0,尾有界，但是如果矣矣0,則由（4. 19)看出肖#〇，于是得到 6 < Ο，于是得到lim,f矣=0 D
3. 如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系統(tǒng)，其特征在于， 區(qū)分當(dāng)前的作動器故障為卡死還是失效類型采用決策機(jī)制，具體方法如下： 通過觀測器和作動器實(shí)際之間的誤差= W來判斷當(dāng)前的故障類型；決策機(jī)制為：
(4. 22) 其中Cl > 0, c2 > 0, λ i > 〇 ;最合適的觀測器根據(jù)性能指標(biāo)（4. 22)來確定；如果得到 哪個(gè)觀測器下使得此時(shí)性能指標(biāo)（4.22)具有最小值，則判斷此刻發(fā)生了何種故障類型；于 是由故障判斷的結(jié)果得到當(dāng)前的故障參數(shù)值如下：
(4. 23) 當(dāng)?shù)趇個(gè)作動器發(fā)生卡死故障，//(0最小，此時(shí)辨識出的結(jié)果為A =〇和$ =1，而此時(shí)第 1個(gè)作動器對應(yīng)實(shí)際故障參數(shù)即〇1 = 0，1^ = 1，得到在卡死發(fā)生后4=0，1,=0;當(dāng)?shù)?個(gè) 作動器發(fā)生失效時(shí)，/丨(0最小，此時(shí)得到的故障辨識結(jié)果為式=1和或.，而此時(shí)第i個(gè)作動器對 應(yīng)實(shí)際故障參數(shù)，8卩〇 1 = 1和匕，并由定理得到在失效故障發(fā)生后4=0, 所以 無論第i個(gè)作動器無論發(fā)生何種類型故障均可以保證limpZ = 0，limpi ξ. = 0。
4. 如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系統(tǒng)，其特征在于， 基于自適應(yīng)滑模觀測器的輔助系統(tǒng)： 利用自適應(yīng)滑模觀測器來實(shí)現(xiàn)此功能，為方便下面的表達(dá)，方程：
(4. 24) 其中U = diaglX，"·，ιι8]，d =[屯，…，d8]T，定義觀測誤差e = ζ_χ2，于是針對（4. 24) 角速率回路設(shè)計(jì)一個(gè)觀測器如下結(jié)構(gòu)：
(4. 25) 其中a = [4..y表示操縱面損傷因子的估計(jì)值，并由如下的自適應(yīng)律得出：
(4. 26) 其中￥1>0，？ = ?1>0且？是六$+卩六=-0的解，其中0 = 01>0，即六為一個(gè) Hurwitz矩陣；確保估計(jì)值處于設(shè)定的最小值么和最大值式之間；滑模項(xiàng)設(shè)計(jì)如下：
(4. 27) 時(shí)變參數(shù)m(t)由如下自適應(yīng)律更新得到：
(4. 28) 定義損傷因子估計(jì)誤差為A由觀測器方程（4. 25)和方程（4. 24)，得到觀測誤差 動態(tài)方程為： (4. 29) 定理：由觀測器（4. 25)、自適應(yīng)更新律（4.26)和滑模項(xiàng)（4. 27)，觀測誤差動態(tài)方程 (4. 29)全局漸近穩(wěn)定，即對任意初始值e (0)，確保limt e (t) = 0,損傷故障估計(jì)誤差 有界； 連續(xù)化滑模項(xiàng)如下：
(4. 30) 其中：P = P Q+P i | | e | |,且P。和P i為大于0的常數(shù)； 于是基于觀測器（4. 25)和（4. 24)的第一個(gè)方程聯(lián)立一個(gè)方程組如下： fi·, = Λ(χ, ) + &(χ, )λ% (4： 31)
其中辦=￡&§(是，<?2，..％4);定義4 =4 -σ,.，和％ =[°^，毛％ -?]7 由方程（4· 6) 得：
(4. 32) 由（4.28)得到作動器失效和卡死，操縱面損傷聯(lián)立的故障模型為：
(4· 33)。
5.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系統(tǒng)，其特征在于， 指令濾波反演容錯(cuò)控制器： 定義兩個(gè)跟蹤誤差向量Ep E2 e R3為：
4，4為濾波器的輸出；由（4· 33)、（4· 34)和（4· 35)，得：
第一步：首先考慮（4. 33)第一個(gè)方程，將< 作為Xl姿態(tài)角度環(huán)的理想控制輸入，同時(shí) 選擇Lyapunov函數(shù)G =|￡f￡i，姿態(tài)角度環(huán)的控制器選擇為： (4. 38) 其中I為待設(shè)計(jì)的正定常矩陣；對V3求導(dǎo)并將（4. 38)代入可得：
(4. 39) 重新定義跟蹤誤差馬=馬-^并將虛擬控制量通過一個(gè)二階約束濾波器得到和 乓，設(shè)計(jì)如下一個(gè)補(bǔ)償器來補(bǔ)償濾波器輸出和輸入之間造成的殘差：
(4. 40) 第二步：選擇如下Lyapunov函數(shù)：
(4.41) %對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為：
設(shè)計(jì)角速度回路控制器：
其中K2為待設(shè)計(jì)的正定常矩陣；將（4. 43)代入（4. 42)得：
由定理和推論可得到limt-以⑴=0，li〇Vw肩(0 = 〇, limt-mVdt) = 0,于是進(jìn)一步 得到曷和E2有界； 定義·=x2 _x2，可以得到^2 =^2 -4，因?yàn)镋2有界和所以得到￡2有界。
6.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系統(tǒng)，其特征在于， 該執(zhí)行器動態(tài)的飛行器姿態(tài)分散式容錯(cuò)控制系統(tǒng)還包括：外環(huán)控制器、指令濾波器、內(nèi)環(huán)控 制器、作動器、輔助系統(tǒng)； 外環(huán)控制器連接指令濾波器，指令濾波器連接內(nèi)環(huán)控制器，內(nèi)環(huán)控制器連接作動器，夕卜 環(huán)控制器和內(nèi)環(huán)控制器連接輔助系統(tǒng)。
【文檔編號】G05D1/08GK104049638SQ201410275909
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】周洪成, 胡艷, 陳存寶 申請人:金陵科技學(xué)院