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
本文以四旋翼直升机（Quadrotor）悬停模态下的姿态模型为研究对象，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。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。
四旋翼直升机;执行器;容错控制;失效故障;飞行控制
南京航空航天大学
硕士
控制理论与控制工程
姜斌
2014
中文
V275.1;V249.1
87
2016-03-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）