The present invention discloses an adaptive fault tolerant control method for uncertain time-delay systems based on sliding mode. Considering the actuator failure of a quad-rotor aircraft with input delay and external disturbance, a fault-tolerant control method is proposed based on adaptive control and sliding mode control. A time lag early predictor is designed to deal with the input delay of the system. The matrix full rank decomposition method and the sliding surface method are adopted to solve the actuator failure problem. Adaptive sliding mode controller replaces fault detection and isolation mechanism to automatically update and compensate for the effect of actuator fault. The asymptotic stability of closed-loop system is guaranteed by adaptive H2 performance. By designing an adaptive sliding mode controller, the controller gain can be adjusted on-line, the proposed control law can be optimized, and the flight control accuracy and response speed of a quad-rotor aircraft can be effectively improved. The method can provide a basis for the design of fault-tolerant controller for a complex quad-rotor aircraft with actuator faults. The invention is applied to fault tolerant control of four rotor aircraft with input delay.
【技术实现步骤摘要】
一种基于滑模的不确定时滞系统的自适应容错控制方法
本专利技术涉及一种基于滑模的四旋翼飞行器的自适应容错控制方法,属于飞行器控制领域。
技术介绍
典型的四旋翼直升机,四个旋翼呈十字形分布在前、后、左、右四个方向。每个旋翼都连接一个直流电机,控制律通过调节直流电机的转速来控制旋翼的转速,从而调节四个方向顶点的升力。为了抵消旋翼旋转产生的反扭矩,前后为一组,左右为一组,两组旋翼按照相反的方向旋转,因此不需要像常规单旋翼直升飞机借助尾桨来消除扭矩。四旋翼直升机是一个复杂的被控对象,具有多输入多输出以及非线性、强耦合、时滞等各种各样的复杂问题,且在飞行过程中会不可避免地遇到扰动、发动机振动等不确定因素,加之缺少人员的实时操纵,直升机一旦发生故障,将会引起严重的后果。因此容错控制器需要在系统存在时滞和不确定性的情况下仍然具备较强的鲁棒容错能力。目前对四旋翼飞行器的容错控制方法主要分为主动容错控制和被动容错控制,由于被动容错控制在设计上有很大的优势,由于控制器的结构和参数是固定的,因此无需外界其他硬件的辅助,可以通过这些已知的经验信息来获得故障信息,无需故障诊断环节,因此可以做到极大程度地节约成本,同时表现出很好的即时性,实现性和实用性。被动容错控制通常不需要故障检测与诊断单元,只需通过设计固定的控制器,给系统可能发生的故障留下一定的裕度,使得某些故障无法对闭环系统造成影响,就能实现容错,达到最终的需求。由于滑模控制的滑动模态对系统参数摄动和外加干扰有完全的自适应性,因此非常适合处理四旋翼直升机飞控系统的被动容错控制问题。它的控制是不连续的,控制过程中,闭环系统的结构不 ...
【技术保护点】
1.一种基于滑模控制的四旋翼飞行器的自适应容错控制方法,其特征在于:考虑四旋翼飞行器存在输入时滞、外部干扰和执行器故障,结合自适应控制和滑模控制,提出一种容错控制方法,使得飞行器在发生执行器故障后能够继续安全飞行。根据所获取的飞行器的模型参数,采用矩阵全秩分解法和滑模面设计法求解执行器故障,自适应滑模控制器取代故障检测和隔离机制自动更新补偿执行器故障的影响,最终达到容错控制的目的。包括如下具体步骤:步骤1)获取四旋翼飞行器的控制模型:
【技术特征摘要】
1.一种基于滑模控制的四旋翼飞行器的自适应容错控制方法,其特征在于:考虑四旋翼飞行器存在输入时滞、外部干扰和执行器故障,结合自适应控制和滑模控制,提出一种容错控制方法,使得飞行器在发生执行器故障后能够继续安全飞行。根据所获取的飞行器的模型参数,采用矩阵全秩分解法和滑模面设计法求解执行器故障,自适应滑模控制器取代故障检测和隔离机制自动更新补偿执行器故障的影响,最终达到容错控制的目的。包括如下具体步骤:步骤1)获取四旋翼飞行器的控制模型:其中,x=[x1x2x3]T为系统状态变量,以四旋翼飞行器X轴方向的位置控制为例,分别表示X轴方向上的位置、速度和执行器动态,u(t)为控制输入,d为时滞,ω(t)∈Rn为外部干扰,z(t)为调节输出,y(t)为可测输出,ΔA(t)为时变参数不确定性,形式为F(x,t)不知但对于所有(x,t)∈Rn×Rm满足。步骤2)针对以上具有输入时滞的四旋翼飞控系统,设计了相应的时滞提前预测器模型:为提高状态预测的准确性,进行了如下修正:其中,yp(t)为实际系统的输出误差。因为提出了一种超前滑模控制器的设计方法,考虑不确定模型为其中,d(x*,u,t)是系统中的不确定性。假设不确定性d(x*,u,t)是有界的,它的上界函数dmax(·)可以估计为|d(x*,u,t)|≤dmax(x*,t)。步骤3)由于容错控制的问题,我们制定的故障包括执行器中断,效率损失和卡住。让表示在第j故障模块中的第i执行器的故障信号。然后,我们描述了的故障模型为:其中,和为未知常数,指数j表示第j故障模块,L是故障模块的总和。对于每个故障模块,和分别为...
【专利技术属性】
技术研发人员:杨蒲,董艳,许梦洋,
申请(专利权)人:南京航空航天大学,
类型:发明
国别省市:江苏,32
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