本发明专利技术公开了一种多矢量螺旋桨组合浮空器故障诊断和容错控制系统，包括状态测量模块，用于测量在地理坐标系下浮空器的当前位置信息和偏航角信息；目标跟踪控制器用于接收在地理坐标系下浮空器的当前位置信息和偏航角信息，将其与设定轨迹作比较产生误差信息，以误差信息作为输入，利用PID控制器，生成跟踪加速度信息；状态转换模块用于接收地理坐标系下的跟踪加速度信息，并生成机体坐标系下的跟踪控制力；故障识别与估计模块用于识别浮空器出现故障时矢量推力偏移，生成故障控制力；控制分配模块控制分配模块用于接收跟踪控制力和故障控制力重新分配给浮空器的间接控制力；矢量推力模块跟据间接控制力生成每个螺旋桨的推力及矢量转角。推力及矢量转角。推力及矢量转角。
【技术实现步骤摘要】
多矢量螺旋桨组合浮空器故障诊断和容错控制系统及方法
[0001]本专利技术属于自动控制的
，具体涉及一种多矢量螺旋桨组合浮空器故障诊断和容错控制系统及方法。
技术介绍
[0002]多矢量螺旋桨组合浮空器在其周围配置四个矢量螺旋桨，能够长期驻空，其水平各向阻力系数相同，可以实现横向运动。由于长期高空作业，在强风扰、高辐射、昼夜温差大的环境中，系统出现故障的可能性很大，不能及时手动修复。因此，自动容错控制系统的设计很重要。
[0003]一个矢量螺旋桨具有两个独立的控制变量：矢量推力和矢量转角，四个螺旋桨组合共有八个控制变量，为执行器冗余配置，可以实现浮空器独立的位置和姿态控制，然而矢量推力代表力的大小，矢量转角代表力的方向，两者互相耦合产生了有方向的力。到目前为止，还没有研究公开讨论基于矢量螺旋桨故障识别的多螺旋桨组合浮空器的容错控制问题。
技术实现思路
[0004]本专利技术提供了一种多矢量螺旋桨组合浮空器故障诊断和容错控制系统及方法，通过建立线性的故障诊断容错模块，计算复杂的非线性时变故障力，简化了系统的复杂度，提高了故障辨识的精度，故障容错跟踪效果好，并能够适应执行器不同故障类型的切换，适用范围广。
[0005]本专利技术可通过以下技术方案实现：
[0006]一种多矢量螺旋桨组合浮空器故障诊断和容错控制系统，包括状态测量模块，所述状态测量模块与浮空器本体相连，还与目标跟踪控制器相连，所述目标跟踪控制器通过状态转换模块与控制分配模块相连，所述控制分配模块通过矢量推力模块与故障识别与估计模块相连，所述故障识别与估计模块与浮空器本体相连，还反馈连接到控制分配模块；
[0007]所述状态测量模块用于测量在地理坐标系下浮空器的当前位置信息和偏航角信息；
[0008]所述目标跟踪控制器用于接收在地理坐标系下浮空器的当前位置信息和偏航角信息，将其与设定轨迹作比较产生误差信息，以所述误差信息作为输入，利用PID控制器，生成跟踪加速度信息；
[0009]所述状态转换模块用于接收地理坐标系下的跟踪加速度信息，并生成机体坐标系下的跟踪控制力；
[0010]所述故障识别与估计模块用于识别浮空器出现故障时矢量推力偏移，生成故障控制力；
[0011]所述控制分配模块控制分配模块用于接收跟踪控制力和故障控制力重新分配给浮空器的间接控制力；
[0012]所述矢量推力模块跟据间接控制力生成每个螺旋桨的推力及矢量转角作用于故障识别与估计模块和浮空器本体系统。
[0013]进一步，所述故障识别与估计模块包括与控制分配模块相连的无故障控制系统、故障控制系统，所述无故障控制系统、故障控制系统均与故障识别观测器相连，所述故障识别观测器、故障测量模块与故障力生成模块相连，所述故障力生成模块还反馈连接到控制分配模块，所述故障测量模块还与浮空器本身、故障力生成模块相连；
[0014]所述无故障控制系统用于依据目标跟踪控制器，获取浮空器无故障时的状态变量；
[0015]所述故障控制系统用于获取浮空器故障状态下的状态变量；
[0016]所述故障识别观测器用于根据浮空器无故障状态下的状态变量、故障状态下的状态变量，辨识出推力偏移；
[0017]所述故障力生成模块用于根据推力偏移以及故障测量模块得到的浮空器故障状态下的矢量转角偏移，生成故障控制力。
[0018]进一步，所述无故障控制系统的数学模型设置为其中，X＝[u v w r]T
为无故障时浮空器在机体坐标系下的状态变量，[u v w]T
为线性速度，r为偏航角速度，为质量矩阵，m为浮空器的质量，m
11
,m
22
,m
33
和m
66
为浮空器的附加质量，I
z
为浮空器的偏航转动惯量，F
GB
为重力、浮力，F
A
为气动力，F
I
为哥氏力，F
T
为实际作用的矢量螺旋桨的推力；
[0019]所述故障控制系统的数学模型设置为其中，X
r
为浮空器故障时在机体坐标系下的状态变量，为无故障直接控制力,为故障直接控制力，
[0020]所述故障识别观测器的数学模型设置为其中，表示间接控制分配矩阵，R
p
表示螺旋桨位置到浮空器体积中心的距离；
[0021]所述故障力生成模块的数学模型设置为其中，S＝[S
f
,S
μ
][0022][0023]μ1,μ2,μ3,μ4，f1,f2,f3,f4分别表示各个螺旋桨的矢量角和推力，表示故障测量模块测量得到的浮空器故障状态下的矢量转角偏移。
[0024]一种基于上文所述的多矢量螺旋桨组合浮空器故障诊断和容错控制系统的控制方法，根据浮空器故障时的状态变量以及在目标跟踪系统中无故障时的状态变量，计算故障时的推力偏移，再结合可测量的故障时的矢量转角偏移，计算故障控制力，将所述故障控制力补偿到目标跟踪系统生成的跟踪控制力，重新分配虚拟控制力，获得浮空器中各个螺旋桨的控制量，控制浮空器重新到达理想位置。
[0025]进一步，其特征在于：利用如下方程式，计算故障控制力，
[0026][0027]其中，X＝[u v w r]T
为浮空器无故障时在机体坐标系下的状态变量，[u v w]T
为线性速度，r为偏航角速度，X
r
为浮空器故障时在机体坐标系下的状态变量，为质量矩阵，m为浮空器的质量，m
11
,m
22
,m
33
和m
66
为浮空器的附加质量，表示故障测量模块测量得到的浮空器故障状态下的矢量角偏移，S＝[S
f
,S
μ
]，
[0028][0029]μ1,μ2,μ3,μ4，f1,f2,f3,f4分别表示各个螺旋桨的矢量转角和推力，
表示间接控制分配矩阵，R
p
表示螺旋桨位置到浮空器体积中心的距离。
[0030]本专利技术有益的技术效果在于：
[0031]考虑到冗余执行器配置，建立了多矢量螺旋桨的线性耦合故障模型，从而实现了多执行器的多类故障的容错控制；通过间接控制分配矩阵，把空间控制力转换到矢量推力平面内，得到常数的间接控制系数矩阵，使计算伪逆时一直有解，增加了控制器的可靠性；依据实际使用情况，选择矢量转角偏差作为测量量，获得的自由故障变量，将推力偏移作为识别量，假设浮空器本体的状态加速度是可测量的，通过故障识别观测器确定的独立故障变量；为了实现精确辨识，选择缓慢变化的推力偏移作为辨识变量，提高故障辨识的精度；通过线性故障模型计算复杂的非线性时变故障力，简化了系统的复杂度。仿真结果表明，该方法能够准确的识别推力偏移故障的大小，故障容错跟踪效果好，并能够适应执行器不同故障类型的切换。
附图说明
[0032]图1是本专利技术的浮空器在机本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多矢量螺旋桨组合浮空器故障诊断和容错控制系统，其特征在于：包括状态测量模块，所述状态测量模块与浮空器本体相连，还与目标跟踪控制器相连，所述目标跟踪控制器通过状态转换模块与控制分配模块相连，所述控制分配模块通过矢量推力模块与故障识别与估计模块相连，所述故障识别与估计模块与浮空器本体相连，还反馈连接到控制分配模块；所述状态测量模块用于测量在地理坐标系下浮空器的当前位置信息和偏航角信息；所述目标跟踪控制器用于接收在地理坐标系下浮空器的当前位置信息和偏航角信息，将其与设定轨迹作比较产生误差信息，以所述误差信息作为输入，利用PID控制器，生成跟踪加速度信息；所述状态转换模块用于接收地理坐标系下的跟踪加速度信息，并生成机体坐标系下的跟踪控制力；所述故障识别与估计模块用于识别浮空器出现故障时矢量推力偏移，生成故障控制力；所述控制分配模块控制分配模块用于接收跟踪控制力和故障控制力重新分配给浮空器的间接控制力；所述矢量推力模块跟据间接控制力生成每个螺旋桨的推力及矢量转角作用于故障识别与估计模块和浮空器本体系统。2.根据权利要求1所述的多矢量螺旋桨组合浮空器故障诊断和容错控制系统，其特征在于：所述故障识别与估计模块包括与控制分配模块相连的无故障控制系统、故障控制系统，所述无故障控制系统、故障控制系统均与故障识别观测器相连，所述故障识别观测器、故障测量模块与故障力生成模块相连，所述故障力生成模块还反馈连接到控制分配模块，所述故障测量模块还与浮空器本身、故障力生成模块相连；所述无故障控制系统用于依据目标跟踪控制器，获取系统无故障时状态变量；所述故障控制系统用于获取浮空器故障状态下的状态变量；所述故障识别观测器用于根据浮空器无故障下的状态变量、故障状态下的状态变量，辨识出推力偏移；所述故障力生成模块用于根据推力偏移以及故障测量模块得到的浮空器故障状态下的矢量转角偏移，生成故障控制力。3.根据权利要求2所述的多矢量螺旋桨组合浮空器故障诊断和容错控制系统，其特征在于：所述无故障控制系统的数学模型设置为其中，X＝[uvwr]
T
为浮空器无故障时在机体坐标系下的状态变量，[uvw]
T
为线性速度，r为偏航角速度，为质量矩阵，m为浮空器的质量，m
11
,m
22
,m
33
和m
66
为浮空器的附加质量...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈丽，闫哲睿，顾莹，周昌野，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：
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