飞行控制系统的自愈合控制最新章节_陈复扬著

1.3 最新研究成果

本书主要内容包括双旋翼直升机、四旋翼直升机、高超声速飞行器的故障诊断方法及自愈合控制方法。主要介绍了多故障鲁棒自适应控制、融合前馈补偿和直接自适应控制、组合多模型、H ^∞ 故障观测器、反步控制和干扰观测器结合、鲁棒反步滑模控制等在自愈合控制研究中的尝试。本书共分10章，作者的主要研究工作及成果安排如下：

第1章绪论。本章主要介绍飞行控制系统自愈合控制的研究背景，分析自愈合控制、故障诊断与容错控制的国内外发展概况及研究进展。

第2章基于观测器设计的双旋翼直升机故障诊断方法。本章主要研究三自由度双旋翼直升机控制系统的执行器故障诊断问题，主要从理论方面采用了基于数学模型的观测器设计方法，对三自由度双旋翼直升机飞行控制系统在发生执行器故障情况下的故障诊断问题进行了较为深入的分析和研究，同时基于三自由度双旋翼直升机仿真平台对算法在实际中的应用尝试做了部分实现工作。

第3章基于自适应控制的双旋翼直升机多故障自愈合控制。本章修正了三自由度直升机的线性模型，提出了基于模型参考自适应方法的故障自愈合算法。在分析非线性模型时准确考虑了力矩作用，改进了非线性模型；控制方法仿真比较表明，提出的自愈合控制方法可有效补偿系统故障、外界干扰及建模不确定性，保证了良好的跟踪精度和自愈合性能。

第4章含有未知参数的四旋翼直升机多故障自愈合控制。本章为实现四旋翼直升机良好的位置跟踪和姿态的调整能力，在具有参数不确定性、外部干扰和多执行器故障下，提出了基于时间尺度分析的多回路结构，设计了基于滑模故障观测器和自适应估计方法的自愈合控制器。仿真结果表明，提出的控制方法可实现良好的跟踪精度和自愈合性能。

第5章基于前馈补偿和直接自适应的四旋翼直升机自愈合控制。本章提出了一种基于前馈补偿和直接自适应控制的自愈合控制算法。同时考虑了系统具有建模不确定性、外部干扰和驱动器LOE故障的情况，即系统的鲁棒控制问题和容错控制问题。针对系统建模的不确定性和外部干扰，保证系统能够在正常状态下能有效运行，设计了线性二次型控制来作为内环反馈控制器。设计了前馈补偿器以满足系统几乎严格正实性的要求，该补偿器是根据每一个发生故障的子系统来综合设计，可使得所有的故障子系统稳定。在仿真中，针对系统在不同的情况下，包括有参数不确定性和外部干扰以及发生不同程度的故障等一系列情况进行数值仿真，验证了所提方法的有效性。

第6章基于组合多模型的四旋翼直升机自愈合控制。本章针对具有驱动器卡死故障和外部干扰的四旋翼直升机线性化模型，设计了基于自适应控制和组合多模型方法的自愈合控制方案。基于最优控制以及最小值原则，将原始系统依据最优性能指标进行优化，进而得到了可以使得系统实现渐近跟踪的参考模型。对自适应重构控制律以及自适应参数调整律的设计进行了稳定性的证明，用来确保系统的跟踪误差收敛。在传统的多模型方法的基础上，将固定模型与自适应模型的结合进行了扩充，加入了重新初始化的自适应模型，可根据当前系统的状态，将自适应模型重置为距离对象真实模型最近的固定模型，以达到提高收敛速度的目的。最后的仿真结果证明了所提出的自愈合控制方案的优越控制性能。

第7章基于H ^∞ 故障观测器的四旋翼直升机自愈合控制。本章针对发生驱动器故障的四旋翼直升机，设计了基于H ^∞ 故障观测器和自适应控制的自愈合控制方法。针对执行器LIP 故障，设计带有故障补偿项的自适应重构控制律；设计引入H ^∞ 性能指标的故障观测器，获取准确的故障估计信息来实现控制系统重构，以减轻自适应重构控制律的控制负担。采用这样的故障辨识算法，可使估计误差按指数收敛，提高整个系统的鲁棒性和自愈合能力，在仿真中验证了其有效性。

第8章基于反步控制与干扰观测器的四旋翼无人机自愈合控制。本章为四旋翼无人机设计了具有一定容错能力的轨迹跟踪控制器，在构建控制器的过程中，设计了干扰观测器，用来估计模型中建模的干扰块，所得到的扰动估计项继而在反步控制器的设计中被加以利用，实现了对系统扰动的补偿。针对执行器失效故障，对控制器进行了容错能力的设计，从而使得所设计的控制器能够在干扰和故障的情况下保证系统一定程度的性能要求。仿真结果表明了所设计的控制器能够较好地实现轨迹跟踪的控制目标，并且对干扰和故障具有一定的容错能力，达到较好的自愈合控制效果。

第9章四旋翼无人机的鲁棒反步滑模控制设计。本章为四旋翼无人机设计了基于滑模控制的反步控制器，实现了系统对干扰和模型不确定性的鲁棒能力。针对姿态角所设计的常规滑模控制器能够实现角度的快速跟踪，利用反步控制技术和滑模控制技术为四旋翼无人机的位置子系统设计了虚拟控制器和对应的滑模面，实现位置的轨迹跟踪控制。基于李雅普诺夫稳定性定理的分析保证了系统的稳定性。针对模型不确定性以及干扰的仿真实验表明了所提出的控制方法具有良好的跟踪精度和容错能力，达到较好的自愈合控制效果。

第10章高超声速飞行器的多故障鲁棒自适应控制。本章设计了高超声速飞行器的多故障自适应容错控制控制器。介绍了具有不确定性的纵向动力学模型，利用动态逆控制器作为其基础控制器，应用自适应控制和支持向量机控制理论，设计其自愈合控制方案。考虑到突变故障和缓变故障的不同特点，分别设计了自适应控制器和支持向量机自适应补偿器。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的稳定性。仿真结果表明，提出的控制方法可以达到良好的跟踪精度和容错性能。