基于简单自适应控制和量子逻辑的四旋翼直升机的重新配置方案

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1、基于简单自适应控制和量子逻辑的四旋翼直升机的重新配置方案摘要：基于简单自适应控制和量子逻辑提出一种对于失去控制有效性的四旋翼直升机的重构控制方法当系统在正常状态下通过应用具有稳定性的二次优化控制，可以实现对直升机的一些良好性能的控制。因为通过引入平行前馈器可以满足正实度的条件，所以简单自适应控制器可以用于直升机。量子逻辑也被应用于四旋翼控制系统，其实现了干扰模式的量化。应用于四旋翼直升机的数学模型可以由其俯仰，滚转和偏航轴的动态方程获得，其包括自身参数的微扰动和外部扰动。一些相关仿真和实验的结果证实了该方案的正确性和控制能力。关键词：控制器故障，四旋翼直升机，量子逻辑，重构配置，简单自

2、适应控制（SAC）I.引言近年来四旋翼直升机研究一直是一个热点，其工业比重持续强劲增长。然而，由于其重耦合、参数扰动和模型不确定性四旋翼直升机的控制器设计仍然存在巨大挑战。由于建立线性模型比较简单所以在之前提出了许多基于线性模型的控制技术，但是实际的控制确实非常复杂。Coza等人提出了一种自适应模糊控制方法，用于解决四旋翼直升机的风致抖振反应[1].（开关模型预测控制器于2014年3月27日收到手稿;修订2014年4月1日和2014年8月18日，接受2014年9月16日。出版日期2015年1月9日;当前版本的日期2015年5月15日得到了中国航空科学基金会的部分支持在格兰特2014ZC

3、52033下，部分由国家自然科学中国基金会拨61374130和拨款61473146部分由江苏省自然科学基金委）Alexisetal实现四旋翼精确轨迹的控制[2].Dierks,Jagannathan输出反馈和基于神经网络的控制方法介绍[3].基于自适应控制的直接和间接控制模型对小型四旋翼无人机的控制[4].在四旋翼直升机研究领域中，轨迹控制和抗干扰或容错可能是研究人员的主要问题[5]–[8].通过四旋翼无人机神经网络的辅助简单的比例-积分-微分控制方法可有效缓解干扰[9]。然而，在之前的研究中，对于故障系统在致动器出现故障或是受到干扰的情况下的重新配置方法仍处于初级探索阶段。对于飞行控

4、制系统来说，致动器故障将影响系统的性能，且系统的安全性和可靠性将直接受到威胁。四旋翼直升机有四个螺旋桨，分别在四个机桨上产生升力。如果其中一个螺旋桨失去控制效果，直升机的姿态角度可能改变甚至导致喷射碰撞。在本文中，设计的简单自适应控制（SAC）方法利用冗余控制机制重新配置故障系统，并确保直升机的安全。SAC的主要思想是使被控系统的性能跟踪预先设计的参考模型的性能，而系统的结构和参数不必是与参考模型相同。SAC在社会的许多方面有广泛的应用，并在自动控制系统中发挥重要作用[10]–[12]。SAC用于处理控制问题的系统，有其独特的优越性。例如，Yasseretal提出了一种使用SAC开发的

5、基于未知参数和动力学的单输入单输出非线性系统的自适应滑模控制方案[13]，而且他还提出了一种使用多重神经网络的连续时间SAC的方法[14]。与其他故障补偿方法相比[15]-[17]，SAC方法对于飞行器没有必要知道故障情况而实现重新配置。在本文中，SAC与线性二次优化控制和前馈补偿器相结合，目的是处理具有致动器故障的直升机模型中的不确定性和外部干扰。四旋翼直升机的外扰动引起直升机动态性能的不确定性，输入干扰和输出干扰会造成各种形式的扰动。本文应用量子逻辑以提高四旋翼直升机在故障情况下的重构控制精度。此外，不同的干扰模式可以由量子模块表来描述。近年来研究量子逻辑已成为一大研究热点。在[1

6、9]，Chenetal。提出了一种基于模糊前馈和量子控制技术用于无人机的自修复控制方案并取得了一些重要成果。本文的结构组织如下：以控制问题来描述直升机的实际飞行环境，其次，介绍了SAC设计控制系统，然后进行了稳定性分析，描述了并联前馈补偿器和线性二次最优控制器的设计然后，应用量子逻辑来增强直升机飞行系统的控制效果。在应用实验中，从其具有的三个角度的动力学方程获得四旋翼直升机的线性数学模型。四旋翼直升机的仿真和实验结果证明了重新配置的效率和控制能力。II.故障制定考虑到运行过程中的不确定性和干扰，四旋翼直升机以状态空间方程形式描述的数学模型如下：其中表示状态向量，是控制输入向量，是输出向

7、量。此外，是矩阵。分别表示有界输入和输出干扰.是有界参数扰动矩阵系统的合范围。当控制系统中发生致动器失效（LOE）故障时，四旋翼飞行器的状态空间方程可以通过：如果，则意味着致动器各部分正常运行。然而，如果则意味着部分致动器功能丧失并且LOE的量是未知的。控制目标是设计总控信号，使得闭环系统中的所有信号都被限制，并且四旋翼飞行器的输出轨迹由下列公式给出的参考模型得到：其中是状态向量；是参考输入向量；是输出向量；是系统矩阵。III.重新配置控制方案