一种自适应容错控制方法、系统及空中机器人技术方案

本发明专利技术公开了一种自适应容错控制方法、系统及空中机器人，方法包括通过频域辨识方法建立空中机器人状态空间模型；设计自适应控制器与部分执行器故障模型；设计基准控制器；设计执行器故障模型；设计自适应容错控制回路，其包括设计执行器失效因子诊断器和设计可重构控制律。另外，还公开了与方法相应的系统以及应用该方法的空中机器人。本发明专利技术提供了一种新的空中机器人解决方案，扩大了空中机器人的应用范围。本发明专利技术通过引入自适应控制方法，解决了飞行器加装机械臂后模型的未知非线性问题所带来的不便。本发明专利技术所设计的自适应容错控制器的性能有了很大的提高，控制结构对常变执行器器故障具有很强的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种自适应容错控制方法、系统及空中机器人
本专利技术属于控制领域，具体涉及一种自适应容错控制方法、系统及空中机器人。
技术介绍
随着自主控制技术的不断发展，近年来越来越多的生产场合使用自动化设备代替人力。目前自动化设备已经可以大范围用于地面作业和水下作业，然而应用于航空领域的自动化设备局限于信息采集或通信，如航拍等。传统的无人飞行器只能通过配备的摄像云台、传感器等与物理环境进行信息交互，针对可应用于空中作业的自动化机器人的研究成果较少，但是其具有巨大的应用前景。空中作业机器人的基本形式是在可悬停飞行器平台上加装操纵机构，使其能够与飞行环境进行物理接触，实现对环境的主动影响。针对空中作业机器人的稳定运行控制方面，尤其是加装机械臂结构后，其动力学模型存在未知的非线性部分，给稳定控制带来一定难度；另外在实际的飞行过程中，执行器故障是导致飞行器失效的一个重要原因。部分执行器故障会导致系统性能下降甚至严重影响稳定性。针对这些问题，可以考虑包括鲁棒控制、滑模控制以及自适应控制等多种飞行器控制方法。相较于其他控制方法，自适应控制能够提供一种解决未知非本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自适应容错控制方法，其特征在于，包括如下内容：通过频域辨识方法建立空中机器人状态空间模型；设计基准控制器；设计执行器故障模型；设计自适应容错控制回路，其包括设计执行器失效因子诊断器和设计可重构控制律；/n其中，在设计自适应容错控制回路时，将采取如下方法：/n1)应用AFF诊断器对输入的AFF和状态不确定性进行估计；/n2)应用可重构控制律进行故障补偿；进入闭环系统前的输入不确定性和以及闭环系统输出的状态不确定性是AFF诊断器的诊断故障来源，两信号经AFF诊断器诊断后由可重构控制律对于系统输入进行故障补偿，从而输出结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种自适应容错控制方法，其特征在于，包括如下内容：通过频域辨识方法建立空中机器人状态空间模型；设计基准控制器；设计执行器故障模型；设计自适应容错控制回路，其包括设计执行器失效因子诊断器和设计可重构控制律；
其中，在设计自适应容错控制回路时，将采取如下方法：
1)应用AFF诊断器对输入的AFF和状态不确定性进行估计；
2)应用可重构控制律进行故障补偿；进入闭环系统前的输入不确定性和以及闭环系统输出的状态不确定性是AFF诊断器的诊断故障来源，两信号经AFF诊断器诊断后由可重构控制律对于系统输入进行故障补偿，从而输出结果。


2.根据权利要求1所述的一种自适应容错控制方法，其特征在于：空中机器人的数学模型为：



其中，xn(t)∈Rn为系统的状态,un(t)∈Rn为系统输入,矩阵(Mn，Fn，Gn)包含待识别的模型参数；矩阵(Hn0，Hn1)是由与系统输入和结构特征相对应的已知常数组成的；
将识别模型转化为常规的状态空间形式为:



其中，An、Bn、Cn、Dn均为n维方阵，且输出矩阵由下式给出:



待识别的频率传递函数为:



输入谱函数为：



其中T表示采样时间，un(f)为输入信号的傅里叶系数；
输出谱函数为：



其中yn(f)为输出信号或输入响应的傅里叶系数；
交叉谱函数为：



其中为un(f)的复共轭值；
相干函数为：



相干函数满足条件且不振荡；
根据传递函数辨识理论，通过求解以下优化问题可得到待辨识的传递函数:



其中是由实验数据拟合的对应Tni的估计值,|*|表示*的振幅,∠*表示*的相位角,nω是选定的频率采样点的数量,nTF是传递函数的数量，需要识别，和分别代表最初的采样频率和采样频率终止；
选择的加权函数为：



定义一个平均目标函数值:








3.根据权利要求2所述的一种自适应容错控制方法，其特征在于：设计基准控制器：
基准控制器包括两个部分：1)采用状态反馈回路提供系统稳定性，实现输入-输出解耦；2)输出反馈回路负责姿态状态跟踪性能；该基准控制结构的状态反馈控制器设计为静态控制矩阵，采用一系列的PD控制器作为姿态跟踪控制器；
基准控制器的控制目标可执行如下鲁棒约束：



其中为参考输入到跟踪误差的传递函数，为参考输入到姿态状态的传递函数，为外界干扰到姿态状态的传递函数，为参考输入到系统输入的传递函数，[Wf(s)，Wb(s)，Wd(s)，Wu(s)]为相应的权重函数；
根据非光滑h-∞优化理论，将式(12)中的设计约束转化为参数优化问题:





4.根据权利要求3所述的一种自适应容错控制方法，其特征在于：考虑执行器故障模型为:



其中σfp(t)为未知矩阵，表示各执行器的故障程度；定义为执行器失效因子(AFF)为：



其中[σfpli，σfpui]为一对常数，表示各σfpi(t)常数的上、下边界；且有
0＜σfpli＜σfpui≤1(16)
状态反馈闭环模型为:



其中Afp为闭环系统矩阵，ωfp(t)为闭环不确定性；这两个未知矩阵都可以由开环AFF和状态反馈控制器得到:



由于闭环系统的姿态通道已被状态反馈控制器解耦输入-输出，式(17)中的状态空间模型可近似分解为各个姿态通道:

【专利技术属性】
技术研发人员：朱桦，樊伟，徐彬，项昌乐，刘春桃，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆创新中心，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50