执行器故障下的四旋翼直升机飞控系统容错控制技术研究

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1、中图分类号：V249论文编号：102870314-S232学科分类号：081101硕士学位论文执行器故障下的四旋翼直升机飞控系统容错控制技术研究研究生姓名张新宇学科、专业控制理论与控制工程研究方向飞控系统的容错控制技术研究指导教师姜斌教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一四年三月万方数据万方数据NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearc

2、honActuatorFaultTolerantControlofQuadrotorFlightControlSystemsAThesisinControlTheoryandControlEngineeringbyZhangXinyuAdvisedbyProf.JiangBinSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2014万方数据万方数据承诺书本人声明所呈交的硕士学

3、位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：万方数据万方数据南京航空航天大学硕士学位论文摘要本文以四旋翼直升机（Quadrotor）悬停模态下的姿态

4、模型为研究对象，分析系统可能出现的故障类型，运用区域稳定理论和线性矩阵不等式工具箱，针对不同类型的故障设计容错控制器，使四旋翼直升机在无故障时和有故障时都可以跟踪期望的指令并保证一定的性能指标，并在QstudioRP半物理仿真平台上仿真验证算法的有效性。首先，介绍了故障的概念和容错控制国内外研究现状，阐述了问题研究的意义；接着建立四旋翼直升机动力学运动模型和执行器故障模型，简化得到姿态系统的状态方程，并介绍半物理仿真平台——QstudioRP平台，分析其开环零输入特性和闭环动态特性，为后面的容错

5、控制算法提供仿真模型。其次，针对四旋翼直升机执行机构出现的失效故障，设计基于区域稳定的状态反馈控制器，将系统极点配置在指定的区域内，使得系统保持D稳定并且满足H∞性能指标。算法在QstudioRP平台上进行数字仿真和实时仿真，与LQR控制算法相对比，体现了所提出的容错控制算法的优越性。再次，考虑四旋翼直升机模型的不确定性和过驱动特性，针对执行机构的卡死故障和失效故障，设计鲁棒控制分配算法。将基于伪逆的控制分配器和自适应容错控制器分开设计，加入自适应算法补偿故障，具有快速性好，便于工程实现的优点。

6、通过大量的仿真试验，得到模型不确定性大小的度量，合理的配置参数，在QstudioRP平台上进行数字仿真和实时仿真，与LQR控制器和标称控制器进行对比，仿真结果证明所设计的自适应容错控制器能够保证系统具有良好的性能。最后，针对四旋翼直升机执行机构的饱和特性导致的控制不稳、性能下降的现象，将执行机构的饱和非线性项进行线性化处理，引入辅助矩阵，用椭圆不变集去逼近吸引域，通过一系列线性不等式的约束使得系统实现D稳定。同样在QstudioRP平台上进行仿真试验，验证了算法的可行性及有效性。关键词：四旋翼直

7、升机，执行器故障，容错控制，D稳定性，过驱动，饱和I万方数据执行器故障下的四旋翼直升机飞控系统的容错控制技术研究ABSTRACTInthispaper,differentfaulttypesareanalyzedbasedontheattitudemodelofquadrotorinhoveringmode.BasedontheregionalstabilityandLinearMatrixInequalitytoolkit,differenttypesoffaulttolerantcontro

8、llersaredesignedtoensurethatthequadrotorcantrackthedesiredcommandsandkeepacertainperformance.AndthemethodsareexaminedontheQstudioRPplatformtoverifythefeasibilityandvalidityofthemethods.Firstly,theconceptoffault,thebackgroundoffaulttolerantcontrolandt