基于非仿射非線性無(wú)人飛行器魯棒自適應(yīng)容錯(cuò)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明針對(duì)存在干擾以及參數(shù)不確定的非仿射非線性系統(tǒng)，給出一種非仿射非線性容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)方法。所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器能適用于參數(shù)具有非仿射形式的非線性系統(tǒng)，且在參數(shù)存在大范圍變化情況下觀測(cè)器仍然能有相當(dāng)理想的魯棒性。觀測(cè)器將故障信息和擾動(dòng)信息均隱含其中，然后基于觀測(cè)器動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制器，由于系統(tǒng)為非仿射非線性系統(tǒng)，控制器的設(shè)計(jì)并不容易，本申請(qǐng)給出一種動(dòng)態(tài)非仿射非線性系統(tǒng)近似方法，將非仿射非線性系統(tǒng)近似為一個(gè)帶有時(shí)變參數(shù)的仿射型非線性系統(tǒng)，而所需要知道的參數(shù)由一個(gè)濾波器來(lái)在線估計(jì)。利用一個(gè)非仿射飛控系統(tǒng)驗(yàn)證了所提方法的有效性，可以實(shí)現(xiàn)非仿射非線性系統(tǒng)的魯棒容錯(cuò)控制。
【專利說明】基于非仿射非線性無(wú)人飛行器魯棒自適應(yīng)容錯(cuò)控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及飛行器姿態(tài)容錯(cuò)控制領(lǐng)域，特別是涉及基于非仿射非線性無(wú)人飛行器 魯棒自適應(yīng)容錯(cuò)控制方法。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003] 目前，基于模型的非線性控制在理論和應(yīng)用上已經(jīng)取得長(zhǎng)足的發(fā)展，如反饋線性 化，滑模控制，反演控制等。自適應(yīng)技術(shù)由于能在線估計(jì)未知參數(shù)，因此被廣泛的和諸多非 線性控制方法結(jié)合用于設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制。而自適應(yīng)控制需要被估計(jì)的參數(shù)和控制輸入為仿射 形式，即不確定參數(shù)和控制輸入須為顯性形式，或和狀態(tài)變量的關(guān)系為線性化關(guān)系。飛控系 統(tǒng)中，常用的方法是在配平點(diǎn)附近線性化，如果飛行器當(dāng)前的狀態(tài)量和控制輸入呈現(xiàn)非仿 射形式時(shí)，所線性化的模型就是時(shí)變的，所以基于配平點(diǎn)附近線性化模型設(shè)計(jì)的控制器可 能會(huì)造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至系統(tǒng)發(fā)散。
[0004] 要設(shè)計(jì)一個(gè)非仿射非線性系統(tǒng)的容錯(cuò)控制器不是一件簡(jiǎn)單的事情，有兩個(gè)難點(diǎn)要 充分的解決，一是如何設(shè)計(jì)一個(gè)自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)算法，二是如何設(shè)計(jì)一個(gè)可重構(gòu)控制算法。 一個(gè)比較常見的自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)算法就是將系統(tǒng)模型在參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值附近泰勒級(jí)數(shù)展開，利 用泰勒級(jí)數(shù)的低階項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)觀測(cè)器。這樣對(duì)于參數(shù)小范圍攝動(dòng)的系統(tǒng)能取得較好的估 計(jì)，而對(duì)于故障這類參數(shù)大范圍變化的系統(tǒng)，這樣的方法很難得到理想的參數(shù)估計(jì)值，如果 系統(tǒng)同時(shí)存在外部干擾，估計(jì)的參數(shù)又會(huì)存在誤差，甚至實(shí)現(xiàn)不了參數(shù)的估計(jì)。所以如何針 對(duì)故障下的非仿射非線性不確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)理想的參數(shù)估計(jì)器設(shè)計(jì)值得探討?，F(xiàn)有的一些非 仿射非線性系統(tǒng)的可重構(gòu)控制器都存在一定的不足，常用的逆系統(tǒng)方法需要尋找系統(tǒng)模型 的逆，雖然有文獻(xiàn)證明了一個(gè)可控系統(tǒng)必然存在它的逆，但是找一個(gè)逆系統(tǒng)并不是意見容 易的事情，如控制輸入隱含在正弦和余弦函數(shù)中。因此有文獻(xiàn)提出一種非仿射控制器設(shè)計(jì) 方法，但是該方法最大的缺點(diǎn)就是會(huì)增加系統(tǒng)的階數(shù)。而文獻(xiàn)基于時(shí)標(biāo)分離的方法設(shè)計(jì)了 一種非仿射控制器，但是該方法不足之處就是該方法很難和現(xiàn)有的自適應(yīng)技術(shù)，滑模技術(shù) 等有效的結(jié)合。
[0005]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)以上問題，本申請(qǐng)?jiān)谒岱欠律淇刂破髟O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于觀測(cè)器技術(shù)設(shè)計(jì) 一種將參數(shù)信息和干擾信息隱含其中的輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器，實(shí)現(xiàn)非仿射非線性系統(tǒng)的魯 棒自適應(yīng)容錯(cuò)控制。并將該方法應(yīng)用于飛控系統(tǒng)中，仿真結(jié)果顯示所提方法的有效性，為達(dá) 此目的，本發(fā)明提供所述飛行器的系統(tǒng)采用非仿射非線性系統(tǒng)： i = f(x，u) + d(t) (5. 1) 其中：re 為狀態(tài)向量，ue i?5為輸入向量，d e if為未知有界的外部擾動(dòng)向量，/0 為非線性函數(shù)： 具體控制步驟如下， 1) 控制器對(duì)所接收信號(hào)源輸入的參數(shù)xm (m=l，2···..)，其中m表示由m個(gè)信號(hào)源輸 入以及濾波器所得的信號(hào)源um (m=l，2···..)，其中m表示由m個(gè)信號(hào)源輸入以及由輔助系 統(tǒng)所得到的不穩(wěn)定信號(hào)源的參數(shù)元0； F以及飛行器的輸出信號(hào)X進(jìn)行處理得到信號(hào)變 量u。并將信號(hào)變量u。傳輸給濾波器以及飛行器以及輔助系統(tǒng)； 2) 所述濾波器對(duì)所得信號(hào)變量u。進(jìn)行處理得到信號(hào)源um并將所得信號(hào)源um傳輸給控 制器； 3) 所述飛行器得到信號(hào)變量u。后通過非仿射非線性系統(tǒng)進(jìn)行處理得到輸出信號(hào)X，并 將輸出信號(hào)X輸出，并將輸出信號(hào)X傳輸給控制器以及輔助系統(tǒng)； 4) 所述輔助系統(tǒng)對(duì)所得到飛行器的輸出信號(hào)X以及控制器處理所得信號(hào)變量u。進(jìn)行 處理得到的不穩(wěn)定信號(hào)源的參數(shù)并將所得不穩(wěn)定信號(hào)源的參數(shù)傳輸 給控制器。
[0007] 作為本發(fā)明一種改進(jìn)，所述步驟1中控制器模型如下： ? = Λε + + v(f) (5. 18) 選取Κ在義附近，并將句在W處進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開得： F\x為,ff)= F(x,us，&)+ -us)+ (Xf) (5. 19) 其中：

【權(quán)利要求】
1. 基于非仿射非線性無(wú)人飛行器魯棒自適應(yīng)容錯(cuò)控制方法，其特征在于：所述飛行器 的系統(tǒng)采用非仿射非線性系統(tǒng)： x = f(x,u)+d(t) (5. 1) 其中：xe if為狀態(tài)向量，u€ if為輸入向量，d e if為未知有界的外部擾動(dòng)向量，/(.) 為非線性函數(shù)： 具體控制步驟如下， 1) 控制器對(duì)所接收信號(hào)源輸入的參數(shù)xm (m=l，2···..)，其中m表示由m個(gè)信號(hào)源輸 入以及濾波器所得的信號(hào)源um (m=l，2···..)，其中m表示由m個(gè)信號(hào)源輸入以及由輔助系 統(tǒng)所得到的不穩(wěn)定信號(hào)源的參數(shù)
以及飛行器的輸出信號(hào)X進(jìn)行處理得到信號(hào)變 量u。并將信號(hào)變量u。傳輸給濾波器以及飛行器以及輔助系統(tǒng)； 2) 所述濾波器對(duì)所得信號(hào)變量u。進(jìn)行處理得到信號(hào)源um并將所得信號(hào)源um傳輸給控 制器； 3) 所述飛行器得到信號(hào)變量u。后通過非仿射非線性系統(tǒng)進(jìn)行處理得到輸出信號(hào)X，并 將輸出信號(hào)X輸出，并將輸出信號(hào)X傳輸給控制器以及輔助系統(tǒng)； 4) 所述輔助系統(tǒng)對(duì)所得到飛行器的輸出信號(hào)X以及控制器處理所得信號(hào)變量u。進(jìn)行 處理得到的不穩(wěn)定信號(hào)源的參數(shù)
并將所得不穩(wěn)定信號(hào)源的參數(shù)
傳輸 給控制器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非仿射非線性無(wú)人飛行器魯棒自適應(yīng)容錯(cuò)控制方法，其 特征在于：所述步驟1中控制器模型如下：
(5. 18) 選取4在七附近，并將在4處進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開得：
(5. 19) 其中：

(5. 18)可以又表示為： (5. 21) 由（5. 19)可以看出，如果心越接近心，則泰勒級(jí)數(shù)的高階無(wú)窮小量αχ)越趨向于0,即
(5. 22) 由于實(shí)際中4是被設(shè)計(jì)的控制器所計(jì)算出來(lái)的，當(dāng)前時(shí)刻是未知的，所以無(wú)法直接得 到它附近的S，于是這里引入濾波器用于估計(jì)和確定S，引入的濾波器如下： + ^ (5. 23) 因此由濾波器（5. 23)，可以得到to
，
亍是，通過以上分析， 觀測(cè)器動(dòng)態(tài)方程（5. 18)可以表示為：
(5. 24) 定義觀測(cè)器狀態(tài)變量?的跟蹤誤差為€ = ，利用動(dòng)態(tài)逆，則基于方程（5.24)設(shè)計(jì) 控制律如下：
(5. 25) 控制增益?：可以由如下的Riccati方程求得： KrPl + P1K = -Ql (5. 26) 其中尸廣礦>〇 ,a=ef >0。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非仿射非線性無(wú)人飛行器魯棒自適應(yīng)容錯(cuò)控制方法，其 特征在于：所述步驟4中輔助系統(tǒng)模型如下： 定義d為σ的估計(jì)值，將函數(shù)在?附近進(jìn)行一階泰勒級(jí)數(shù)展開，可得到： /(X為,· f(x為,&) + gi(x八費(fèi)) (5. 7) 其中：
基于（5. 7)和（5. 8)，（5. 5)又可以寫成如下方程： X = ^{χμ, , σ) + ,〇)σ + υ(?) (5. 9) 其中： = 的-S辦，\，句行 (5. 10) u(f)= φ)+?(?) (5. 11) 可以看出u(i)是未知的且有界的，定義為|μ(?)||?σ : 定義f=z-x，其中z為狀態(tài)x的觀測(cè)值。針對(duì)（5. 9)，設(shè)計(jì)如下觀測(cè)器： ζ = Λ(ζ - τ') + Jl(x,u￡, σ) + giCx.u,, σ)σ+ v(t) (5. 12) 并由如下的自適應(yīng)律得出A;
(5. 13) 其中> 0 , 蘆> 0且JD是#尸+ B4 = -ρ的解，其中ρ = > 0，即i為一個(gè)Hurwitz 矩陣。其可以確保估計(jì)值處于設(shè)定的最小值3和最大值R之間?；ｍ?xiàng)設(shè)計(jì)如下，
(5. 14) 時(shí)變參數(shù)m(i)由如下自適應(yīng)律更新得到： m(t) = Γετε, r<0) > Ο (5. 15) 定義失效因子估計(jì)誤差為由觀測(cè)器方程（5. 12)和方程（5. 9)，可以得到觀 測(cè)誤差動(dòng)態(tài)方程為： ?=Αε+ (5. 16) 〇
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK104102132SQ201410293083
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】周洪成, 胡艷 申請(qǐng)人:金陵科技學(xué)院