四旋翼直升机姿态控制系统的自适应容错控制算法研究

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870314-S240学科分类号：081104硕士学位论文四旋翼直升机姿态控制系统的自适应容错控制算法研究研究生姓名路飞飞学科、专业模式识别与智能系统研究方向故障诊断与容错控制指导教师陈复扬副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NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonAdaptiveFault-tolerantCont

2、rolDesignforaQuad-rotorAttitudeSystemAThesisinPatternRecognitionandIntelligentSystemsbyLuFeifeiAdvisedbyChenFuyangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2014万方数据万方数据承诺书本人声明所呈交的硕士学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

3、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四旋翼直升机是一种结构简单、可垂直起降的多旋翼飞行器，在现代社会的军事和民用领域都发挥着越来越重要的作用，但由于其姿态控制系统具有强耦合、过驱动等复杂特性，使其对外部干扰极为敏感，且容易发生故障，因此其容错控制问题

4、成为了近几年来研究的热点。本文针对四旋翼直升机的外部干扰以及执行器故障，对其姿态控制系统的容错控制问题进行了研究，提出并设计了四种不同的自适应容错控制算法，其中研究的主要内容如下：（1）首先，阐述了四旋翼直升机的结构组成及飞行原理，根据系统的受力特点，基于拉格朗日方程建立了其姿态控制系统的数学模型。其次，详细地介绍了本文的仿真研究对象，三自由度四旋翼直升机半物理仿真平台的系统组成及工作原理，并给出其模型的参数值。（2）针对四旋翼直升机的外部干扰补偿问题，本文运用模型参考自适应控制（MRAC）方法，在常规自适应控制器的基础上，设计了干扰补偿算法及其参

5、数自适应律。本文设计的自适应补偿控制器不仅实现了对外部干扰的补偿，还确保了四旋翼直升机的姿态角能够准确地跟踪参考系统的状态输出。（3）针对四旋翼直升机的执行器故障以及外部干扰，基于干扰观测器和切换控制策略，提出了一种自适应容错控制方案，实现了对其执行器卡死故障及外部干扰的补偿。然后又继而考虑了执行器的部分失效故障，通过引入系统状态及其误差的反馈，设计了一种直接自适应容错控制算法，在执行器故障参数和外部干扰的上界均未知的情况下，该算法既实现了对外部干扰和执行器故障的补偿，又保证了姿态角的跟踪性能。（4）在上述研究的基础上，继续考虑了系统的参数不确定性

6、，针对四旋翼直升机的外部干扰、执行器故障以及系统参数不确定性，通过引入系统状态及其误差的反馈，设计了一种直接自适应容错控制器，该算法的设计有效地保证了四旋翼直升机的姿态角对参考系统状态的有界跟踪。（5）将上述方案应用于三自由度四旋翼直升机半物理平台进行数字仿真研究，仿真结果表明了本文设计方案的有效性和可行性。关键词：四旋翼直升机，外部干扰，执行器故障，参数不确定性，自适应容错控制，干扰观测器I万方数据四旋翼直升机姿态控制系统的自适应容错控制算法研究ABSTRACTQuad-rotorhelicopterisamulti-rotoraircraftw

7、ithasimplestructure,andcantake-offandlandvertically.Inmodernsociety,itplaysanincreasinglyimportantrole.However,duetoitsattitudecontrolsystemwithstrongcoupling,overdriveandothercomplexcharacteristics,itisextremelysensitivetoexternalinterferenceandpronetofailures.Therefore,thefa

8、ult-tolerantcontrolofquad-rotorattitudesystemhasbecomearesear