基于自适应控制的四旋翼直升机的重构控制方法研究

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870315-S204学科分类号：082601硕士学位论文基于自适应控制的四旋翼直升机的重构控制方法研究研究生姓名吴庆波学科、专业武器系统与运用工程研究方向故障诊断与容错控制指导教师丁勇副教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonAdaptiveControlBasedRec

2、onfigurableControlMethodsforQuad-rotorHelicopterAThesisinWeaponSystemandUtilizationEngineeringbyWuQingboAdvisedbyDingYongSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015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

3、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：摘要四旋翼直升机作为一种新型的飞行器，具有操纵性灵活、能够垂直起降以及能完成各种复杂任务的特点，因此具有良好的军用和民用前景。然而，四旋翼直升机在飞行过程当中，如果发生了驱动器故障或者受到外部干扰的影响，那么四旋

4、翼直升机的飞行品质和安全性能都会受到直接或间接的影响。基于此，本文针对发生驱动器故障的四旋翼直升机，基于自适应控制理论，提出了一系列针对四旋翼直升机的重构控制方法。本文分析了四旋翼直升机的结构特点和飞行原理，介绍了直升机一些主要的运动状态。同时，阐述了四旋翼直升机姿态角的物理意义，并基于欧拉-拉格朗日方法建立了四旋翼直升机的数学模型。随后介绍了本文的仿真研究对象—Quanser公司生产的四旋翼直升机仿真平台，其系统软硬件组成和模型参数。针对发生驱动器LOE故障和有参数不确定性的四旋翼直升机，设计了一种基于前馈补偿的直接自适

5、应飞行重构控制方法。以参考模型的输入输出及状态量为控制量，设计直接自适应律，形成控制信号。然后又设计了线性二次型控制算法来作为内环反馈控制器以保证系统能够在正常状态下能有效运行。最后又设计了前馈补偿器以满足系统几乎严格正实性的要求。仿真结果表明所设计的方法具有很好的重构控制效果。针对具有驱动器LIP故障和外部干扰的四旋翼直升机线性化模型，设计了基于自适应控制和多模型方法的四旋翼直升机重构控制方案。首先基于最优控制以及最小值原则，将原始系统依据最优性能指标进行优化得到了参考模型。在传统的多模型方法的基础上，加入了重新初始化的

6、自适应模型，来提高多模型的收敛速度。仿真结果证实了所提出的自适应重构控制方案具有优越的控制性能。继续针对发生驱动器故障的四旋翼直升机，设计了基于H故障观测器和自适应控制的重∞构控制方法。为了解决四旋翼直升机发生的驱动器LIP故障，设计带有故障补偿项的自适应重构控制律。同时又设计了引入H性能指标的故障观测器，获取准确的故障估计信息来实现控∞制系统重构，以减轻自适应重构控制器的控制负担。采用这样的故障辨识算法，提高整个系统的鲁棒性和重构能力，在仿真中验证了其有效性。本文针对上述提出的控制方案，应用四旋翼直升机仿真平台，进行了数

7、值仿真。仿真结果表明了这些重构控制方法的可行性和有效性。关键词：四旋翼直升机，驱动器故障，外部干扰，重构控制系统，自适应控制，多模型，故障观测器IABSTRACTAsanewtypeofaircraft,thequadrotorhelicopterhasflexiblemaneuverabilityandcanaccomplishdifferentkindsofcomplexmissionsaswellasverticaltakingoffandlanding.Soithasgoodprospectinmilitaryan

8、dcivilterritory.However,theflightqualityandsafetyofthequadrotorhelicopterwillbeaffecteddirectlyorindirectlyiffaultsandexternalinterferenceoccurinthesyst