一种余度作动系统通道切换方法技术方案

本发明专利技术提供一种余度作动系统通道切换方法，包括以下步骤：建立飞行器的飞控模型；根据飞控模型确定响应性能优化形式；确定飞控模型响应的上界；对系统的余度作动系统进行建模；确定由于切换阈值对飞控响应性能指标的影响量化值；将余度作动系统故障切换阈值δ引起的响应性能指标量化增量置为零，确定由于故障容许响应时间对飞控响应性能指标的影响量化值；确定余度作动系统故障切换阈值δ和余度作动系统故障容许响应时间Δt在不同干扰下的取值范围；确定不同误差持续时间和外界干扰输入量时，余度作动系统通道切换方法。本发明专利技术保证了余度作动系统在当前通道严重故障时的有效切换以及飞行器可控瞬态特性和良好飞行品质。换以及飞行器可控瞬态特性和良好飞行品质。换以及飞行器可控瞬态特性和良好飞行品质。

【技术实现步骤摘要】
一种余度作动系统通道切换方法


[0001]本专利技术属于容错控制和飞行品质优化
，具体涉及一种余度作动系统通道切换方法。

技术介绍

[0002]为了进一步提升可靠性，航空航天领域的飞行器对于控制系统的容错功能要求越来越高，尤其在具有高可靠性和超长航时的大型民机和无人机等飞行器领域，为了在恶劣工况下保证飞行任务执行的成功率，对容错控制系统的性能和决策效率提出了更高要求。余度作动系统由于具备故障后的通道切换功能、能够实现容错重构，逐渐应用于各种高价值飞行器。
[0003]然而余度作动系统通道切换尚未形成明确的准则，系统故障后，通道切换条件过于宽松，可能导致切换过于滞后，会影响飞行控制系统的瞬态特性和控制品质，甚至导致灾难性后果，通道切换条件过于严苛，可能导致作动系统在受干扰情形下的无效切换，浪费余度资源和容错潜力，因此优化余度作动系统的通道切换判别准则意义重大。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种余度作动系统通道切换方法。本专利技术方案能够解决上述现有技术中存在的问题。
[0005]本专利技术的技术解决方案：
[0006]根据第一方面，提供一种余度作动系统通道切换方法，包括以下步骤：
[0007]按照飞行器分别由升降舵、副翼舵、方向舵所决定的俯仰、滚转、偏航三轴功能，建立飞行器飞行控制状态空间模型(以下简称飞控模型)；
[0008]根据飞控模型确定响应性能指标优化形式；
[0009]确定飞控模型响应性能指标的量化上界；
[0010]将余度作动系统作为飞控模型的输入，飞控模型由作动系统所控制的姿态角作为模型输出，并对系统的余度作动系统环节进行建模；
[0011]根据飞控模型的输入和余度作动系统故障切换阈值δ，确定针对突变性故障需快速切换的工况下，由于切换阈值对飞控响应性能指标的影响量化值；
[0012]根据飞控模型的输入和余度作动系统故障容许响应时间Δt，针对余度作动系统的缓变类性能退化类故障，由于该类故障不会短时间内导致其达到切换阈值δ，因此将将余度作动系统故障切换阈值δ引起的响应性能指标量化增量置为零，进而确定由于故障容许响应时间的累积效应对飞控响应性能指标的影响量化值；
[0013]根据不同外界干扰下获得的飞控模型响应的上界、切换阈值对飞控响应性能指标的影响量化值和故障容许响应时间对飞控响应性能指标的影响量化值，确定余度作动系统故障切换阈值δ和余度作动系统故障容许响应时间Δt在不同干扰下的取值范围，以飞控模型响应的上界为指标优化项，形成通道切换准则；
[0014]飞控响应的指标函数形式受误差持续时间、外界干扰输入量的影响，根据余度作动系统通道切换准则，确定不同误差持续时间和外界干扰输入量时，余度作动系统通道切换方法。
[0015]进一步的，所述的飞行器飞行控制状态空间模型为
[0016][0017]其中，x
aug
(t)＝[x(t) ∫e(t)dt]T
，y
aug
(t)＝[y(t) ∫e(t)dt]T
，w
aug
(t)＝[w(t) r(t)]T
，状态变量x(t)＝[β p r φ]T
，其中β为侧滑角，p为滚转角速率，r为偏航角速率，φ为滚转角，e(t)＝r(t)
‑
S
out
y(t)，e(t)为响应误差，r(t)为飞控指令，w(t)为外界干扰，S
out
y(t)为飞控模型输出姿态角，y(t)＝Cx(t)，相应的系数矩阵为(t)为飞控模型输出姿态角，y(t)＝Cx(t)，相应的系数矩阵为飞控模型中舵面偏角的输入形式为u(t)＝[δ
ain δ
aout δ
sp δ
rup δ
rlow
]T
，其中δ
ain
和δ
aout
分别为内外副翼的偏转角输入，δ
sp
为扰流板的偏转角输入，δ
rup
和δ
rlow
分别为上下方向舵的偏转角输入，其中A为增广前飞控模型的线性化参数矩阵、B
f
为控制增益矩阵、C
f
为全状态输出矩阵、G为干扰项矩阵、S
out
为姿态角输出矩阵。
[0018]进一步的，系统的余度作动系统模型为：
[0019]其中，δ为余度作动系统的超差阈值；u
sys
为作动系统的系统级输入；u
A
为作动系统的A通道输入；u
B
为作动系统的B通道输入；为余度作动系统A通道无故障正常响应输入；为余度作动系统B通道无故障正常响应输入；t
begin
‑
fault
为余度作动系统A通道响应开始达到切换阈值的时刻；t
after
‑
fault
为余度作动系统B通道切换成功，开始消除故障阈值偏差的时刻。
[0020]进一步的，所述的飞控模型响应性能优化形式为为LQ二次型形式其中为飞控模型的控制器，K＝[K
x K
e
]为控制增益，和分别为飞控模型增广状态向量和输入向量的权重矩阵,矩阵中Q
x
为增广前状态向量,Q
e
为增广前误差积分项,R
x
增广前输入向量,R
e
为增广前相关误差向量的权重矩阵，P为Riccati方程控制增益求解矩阵。
[0021]进一步的，所述的飞控模型响应的上界为其中，P
c
为正定对称矩阵，γ为扰动抑制系数。
[0022]进一步的，所述的由于切换阈值对飞控响应性能指标的影响量化值：e(δ(t))为由切换阈值引起的状态向量误差项。
[0023]进一步的，所述的由于故障容许响应时间对飞控响应性能指标的影响量化值：
[0024]进一步的，令(∫e(τ)dt)Q
e
(∫e(τ)dt)＝b，所述确定余度作动系统故障切换阈值δ和余度作动系统故障容许响应时间Δt在不同干扰下的取值范围的公式为：其中，λ2||w||2＝w
T
(τ)G
T
Gw(τ)，λ为矩阵G的谱半径。
[0025]进一步的，所述的余度作动系统通道切换准则如下：
[0026]针对余度作动系统通道切换最大容许时间作的判别依据，当外界干扰w为有界干扰，则w具有范数上界||w||
max
，此时容许响应时间取到最大值(Δt)
max
，在该时间内平滑切换；当外界干扰为脉冲型干扰，则w短时间内无范数上界，此时余度作动系统面临极端工况，余度作动系统进行瞬态切换；针对余度作动系统最大切换阈值的判别依据，飞控模型响应的值确定的情形下，作动系统在临界值以内误差持续时间越短，其超差阈值设置越大。
[0027]根据第二方面，提供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种余度作动系统通道切换方法，其特征在于，包括以下步骤：按照飞行器分别由升降舵、副翼舵、方向舵所决定的俯仰、滚转、偏航三轴功能，建立飞行器飞行控制状态空间模型(以下简称飞控模型)；根据飞控模型确定响应性能指标优化形式；确定飞控模型响应性能指标的量化上界；将余度作动系统作为飞控模型的输入，飞控模型由作动系统所控制的姿态角作为模型输出，并对系统的余度作动系统环节进行建模；根据飞控模型的输入和余度作动系统故障切换阈值δ，确定针对突变性故障需快速切换的工况下，由于切换阈值对飞控响应性能指标的影响量化值；根据飞控模型的输入和余度作动系统故障容许响应时间Δt，针对余度作动系统的缓变类性能退化类故障，由于该类故障不会短时间内导致其达到切换阈值δ，因此将将余度作动系统故障切换阈值δ引起的响应性能指标量化增量置为零，进而确定由于故障容许响应时间的累积效应对飞控响应性能指标的影响量化值；根据不同外界干扰下获得的飞控模型响应的上界、切换阈值对飞控响应性能指标的影响量化值和故障容许响应时间对飞控响应性能指标的影响量化值，确定余度作动系统故障切换阈值δ和余度作动系统故障容许响应时间Δt在不同干扰下的取值范围，以飞控模型响应的上界为指标优化项，形成通道切换准则；飞控响应的指标函数形式受误差持续时间、外界干扰输入量的影响，根据余度作动系统通道切换准则，确定不同误差持续时间和外界干扰输入量时，余度作动系统通道切换方法。2.根据权利要求1所述的一种余度作动系统通道切换方法，其特征在于，所述的飞行器飞行控制状态空间模型为其中，x
aug
(t)＝[x(t) ∫e(t)dt]
T
，y
aug
(t)＝[y(t) ∫e(t)dt]
T
，w
aug
(t)＝[w(t) r(t)]
T
，状态变量x(t)＝[β p r φ]
T
，其中β为侧滑角，p为滚转角速率，r为偏航角速率，φ为滚转角，e(t)＝r(t)
‑
S
out
y(t)，e(t)为响应误差，r(t)为飞控指令，w(t)为外界干扰，S
out
y(t)为飞控模型输出姿态角，y(t)＝Cx(t)，相应的系数矩阵为飞控模型输出姿态角，y(t)＝Cx(t)，相应的系数矩阵为飞控模型中舵面偏角的输入形式为u(t)＝[δ
ain δ
aout δ
sp δ
rup δ
rlow
]
T
，其中δ
ain
和δ
aout
分别为内外副翼的偏转角输入，δ
sp
为扰流板的偏转角输入，δ
rup
和δ
rlow
分别为上下方向舵的偏转角输入，其中A为增广前飞控模型的线性化参数矩阵、B
f
为控制增益矩阵、C
f
为全状态输出矩阵、G为干扰项矩阵、S
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，黄建，李伟康，高炳东，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：