基于自适应控制的飞机多故障自修复控制方法研究

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870315-S165学科分类号：081104硕士学位论文基于自适应控制的飞机多故障自修复控制方法研究研究生姓名王正学科、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NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonAircraftSelf-Repai

2、ringControlwithMultipleFaultsBasedonAdaptiveControlAThesisinPatternRecognitionandIntelligentSystembyZhengWangAdvisedbyProf.ChenFuyangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作

3、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：摘要由于飞行器的复杂性，其控制系统具有非线性、强耦合、不确定性大等特点。在飞行中，飞行器易发生故障，此时，由于稳定性下降，飞行器有同时发生多种故障的可能性。

4、因此，研究飞行器多故障下的自修复控制系统具有重要意义。固定翼飞机和旋翼直升机具有不同的故障表现形式，控制策略设计也有一定区别。考虑不同飞行器及不同控制体系的区别，本文针对高超声速飞行器高度跟踪系统、三自由度直升机姿态系统及四旋翼直升机位置姿态系统，分别研究了以下三个方面：（1）针对飞行器受到的外部干扰，设计了基础控制律；（2）针对建模不确定性及元部件故障，设计了鲁棒自修复控制器；（3）针对部分或完全失效等执行器多故障，基于自适应控制，设计了自修复方案。针对高超声速飞行器高度系统的外部干扰、建模不确定性及执行器

5、完全失效问题，提出了支持向量机鲁棒自适应的容错控制方法。首先，针对非线性模型，设计了针对执行器突变故障的可靠控制方案，保证在突变故障的时间、类型和故障模式未知的情况下可达到容错的目的。其次，利用支持向量机泛化能力强的优点，学习了模型的状态误差，并采用基于伪输入思想的自适应参数调节法，补偿了由于建模不确定性、其他缓变故障造成的系统误差。针对三自由度直升机姿态系统的外部干扰、建模不确定性及执行器部分失效问题，本文通过机理分析法，考虑姿态角之间的复杂耦合情况，对原有线性模型重新进行了非线性建模；然后，拓展模型参考自

6、适应方法，设计了补偿算法及自适应律，使系统在执行器失效故障、系统故障、干扰均未知的情况下，逐一补偿上述问题引起的跟踪误差，改善控制器的抗干扰特性和自修复能力，在模型参数未知的情况下，保证了系统的跟踪性能。针对四旋翼直升机姿态和位置系统的外部干扰、建模不确定性及执行器部分失效问题，由于非线性程度较高，上述自适应系统不再适用。故本文设计了基于滑模自适应控制的自修复方案。首先，基于时间尺度分析和联级控制系统理论，将非线性控制系统分解四回路联级控制系统；然后，针对存在的不确定性，对每个回路设计故障观测器；接着，针对系

7、统参数未知的问题，提出自适应参数估计算法，估计系统参数及控制器参数，保证系统在参数未知下的鲁棒性；最后，为了保证嵌套的可行性，分析各回路收敛关系，得到各回路参数之间的不等式关系。最后，针对无故障、强干扰、多种故障等问题，对以上三个方案分别进行了仿真验证，结果表明了方法的有效性和实用性。关键词：飞机，执行器故障，参数不确定性，外部干扰，自适应容错控制，观测器IABSTRACTFlightcontrolsystemisanimportantpartofaircraftdesign.Intheprocessoffl

8、ight,aircraftissensitivetoexternaldisturbanceandotheruncertainfactors,suchasfaults.Thispaperproposesadaptivefault-tolerantcontrolmethodbasedonadaptivecontrol.Threedifferentplanesarediscussedwithmodelun