[发明专利]基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制系统及方法

权利要求书

1.基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制系统，是串接在垂直起降飞机模型输入端、输出端之间闭环控制系统，具体包括：执行机构、观测器单元、容错控制器，其特征在于：

所述执行机构，在容错控制信号以及故障的作用下得到垂直起降飞机的操作指令；

所述垂直起降飞机模型在外部干扰以及执行机构操作指令的作用下动作，以飞机质心位置以及滚转角构成所述控制系统的输出向量；

所述观测器单元包括级联的干扰观测器、故障诊断观测器，干扰观测器根据飞机滚转角和滚转速率来得到干扰估计值以及状态变量观测值，故障诊断观测器根据干扰估计值、飞机质心位置、容错控制信号得到故障估计值以及状态变量观测值，所述状态变量观测值包括：滚转角和滚转速率的观测值、飞机质心位置观测值以及速度观测值；

所述容错控制器，以跟踪误差信号、滚转角和滚转速率的观测值、故障估计值、干扰估计值为输入，得到容错控制信号修正值，所述跟踪误差信号为由飞机质心位置以及相应速率的观测值组成的观测信号与给定参考值的差值。

2.基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制方法，其特征在于构建如权利要求1所述的控制系统，具体包括如下步骤：

步骤1，建立考虑了外部干扰以及执行器故障的垂直起降机动力学模型：

x··=-(u1f-fa(t))sinθ+ϵu2fcosθ+d1(θ)fd(t)y··=(u1f-fa(t))cosθ+ϵu2fsinθ+d2(θ)fd(t)-gθ··=λu2f+d3(θ)fd(t),]]>

其中，分别为飞机在水平方向、垂直方向的加速度，为滚转角加速度，u_1f、u_2f分别为控制系统的推力容错控制输入、滚转力矩容错控制输入，ε为滚转力矩与水平方向加速度的耦合系数，f_d(t)、f_a(t)分别为外部干扰、故障的时间函数，d_i(θ),i=1,2,3为外部干扰和滚转角的耦合程度，g为重力加速度，λ为滚转力矩的传输效率；

步骤2，选取状态变量向量x，x=(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆)，x1=x,x2=x·,x3=y,x4=y·,x5=θ,x6=θ·,]]>利用变量替换将步骤1建立的动力学模型转换为标准形式的非线性模型：

x·1=x2x·2=-u1fsinx5+ϵu2fcosx5+d1(x5)fd+sinx5fax·3=x4x·4=u1fcosx5+ϵu2fsinx5+d2(x5)fd-cosx5fa-1x·5=x6x·6=λu2f+d3(x5)fd,]]>

选取第一至第三外部干扰变量f_1d=d₁(x₅)f_d,f_2d=d₂(x₅)f_d,f_3d=d₃(x₅)f_d以及第一、第二故障变量f_1a=sinx₅f_a,f_2a=-cosx₅f_a，确定故障系统的状态方程为：

x·1=x2x·2=-u1fsinx5+ϵu2fcosx5+f1d+f1ax·3=x4x·4=u1fcosx5+ϵu2fsinx5+f2d-f2a-1x·5=x6x·6=λu2f+f3d,]]>

其中：x、y分别为飞机质心在惯性坐标系中的水平坐标和垂直坐标，分别为飞机在水平方向、垂直方向的运动速率，是滚转速率；

步骤3，利用干扰观测器x^·5=x^6+λ1sgn(x5-x^5)x^·6=λu2f+λ2sgn1(x~6-x^6)]]>得到干扰估计值其中：分别是滚转角、滚转速率的观测值，λ₁和λ₂是切换项的增益，是滚转速率x₆的替代变量；

利用故障诊断观测器x^·1=x^2-l1(x^1-x1)x^·2=-u1fsinx5+ϵu2fcosx5+f^1a+f^1d-(x^1-x1)x^·3=x^4-l2(x^3-x3)x^·4=u1fcosx5+ϵu2fsinx5+f^2a+f^2d-(x^3-x3)-1]]>得到故障估计值其中：为飞机水平坐标、垂直坐标、水平速率、垂直速率的观测值，为第一、第二故障变量的估计值，为第一、第二外部干扰变量的估计值，l₁和l₂为故障诊断观测器的增益；

步骤4，选取控制输入可逆变换矩阵将系统输入输出线性化ws1ws2=β(x5)u1f-fau2f-x··dy··d+1,]]>其中β(x5)=-sinx5ϵcosx5cosx5ϵsinx5]]>是系统在平衡点x₅=0附近的非奇异解耦矩阵，再取六个误差变量e₁,e₂,e₃,e₄,η₁,η₂，e₁=x₁-x_d，e₃=x₃-y_d，e4=x4-y·d,]]>η₁=x₅，η2=ϵλx6-e2cosx5-e4sinx5,]]>将控制系统坐标变换为跟踪系统，将系统解耦为最小相位子系统：及非最小相位子系统:确定镇定最小相位子系统的最优控制律ws2为：镇定非最小相位子系统的滑模控制律w_s1为：ws1=C[A2z^1+B2z^2+ψ‾^(η^,e^,Y··d)]-f^1d-σsat(s^),]]>

其中：z₁=(e₁,η^T)^T，z₂=e₂，η=(η₁,η₂)^T，e=(e₁,e₂,e₃,e₄)^T，ψ‾(η,e,Y··d)=ψ(η,e,Y··d)-A2z1-B2z2,]]>ψ(ηe,e,Y··d)=e2Γ(ηe,e,Y··d),]]>(β1,β2)=K1=R1-1B1TP1]]>是最优反馈增益，R₁和P₁是满足相应Riccati方程的正定矩阵，C为使得A₂+B₂C为Hurwitz矩阵的向量，为误差变量e₁,e₂,e₃,e₄的估计值，分别为水平方向、垂直方向参考加速度，σ为滑动切换项的增益，是以滑模平面估计值为变量的饱和函数；

步骤5，根据步骤4确定的最优控制律以及滑模控制律，结合故障估计值和可逆的控制变换，确定容错控制器的控制律：

uf=β-1(x5)ws1+x··dws2+y··d+1+F^,]]>

其中：β^-1(x₅)是可逆解耦矩阵β(x₅)的逆矩阵，为重构故障向量的估计值。

3.根据权利要求2所述的基于级联观测器的垂直起降飞机鲁棒容错控制方法，其特征在于：外部干扰和滚转角的耦合程度为d₁(θ)=cosθ,d₂(θ)=(sinθ+θ₅cosθ),d₃(θ)=(cosθ+2)，第一、第二故障变量为f_1a=sinθf_a,f_2a=-cosθf_a时，步骤1建立的动力学模型为：

x··=-(u1f-fa(t))sinθ+ϵu2fcosθ+cosθfd(t)y··=(u1f-fa(t))cosθ+ϵu2fsinθ+(sinθ+θcosθ)fd(t)-1θ··=λu2f+(cosθ+2)fd(t).]]>