基于非仿射非線性無人飛行器魯棒自適應容錯控制方法
【專利摘要】本發明針對存在干擾以及參數不確定的非仿射非線性系統，給出一種非仿射非線性容錯控制器設計方法。所設計的觀測器能適用于參數具有非仿射形式的非線性系統，且在參數存在大范圍變化情況下觀測器仍然能有相當理想的魯棒性。觀測器將故障信息和擾動信息均隱含其中，然后基于觀測器動態設計容錯控制器，由于系統為非仿射非線性系統，控制器的設計并不容易，本申請給出一種動態非仿射非線性系統近似方法，將非仿射非線性系統近似為一個帶有時變參數的仿射型非線性系統，而所需要知道的參數由一個濾波器來在線估計。利用一個非仿射飛控系統驗證了所提方法的有效性，可以實現非仿射非線性系統的魯棒容錯控制。
【專利說明】基于非仿射非線性無人飛行器魯棒自適應容錯控制方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及飛行器姿態容錯控制領域，特別是涉及基于非仿射非線性無人飛行器 魯棒自適應容錯控制方法。
[0002]

【背景技術】
[0003] 目前，基于模型的非線性控制在理論和應用上已經取得長足的發展，如反饋線性 化，滑模控制，反演控制等。自適應技術由于能在線估計未知參數，因此被廣泛的和諸多非 線性控制方法結合用于設計容錯控制。而自適應控制需要被估計的參數和控制輸入為仿射 形式，即不確定參數和控制輸入須為顯性形式，或和狀態變量的關系為線性化關系。飛控系 統中，常用的方法是在配平點附近線性化，如果飛行器當前的狀態量和控制輸入呈現非仿 射形式時，所線性化的模型就是時變的，所以基于配平點附近線性化模型設計的控制器可 能會造成閉環系統不穩定，甚至系統發散。
[0004] 要設計一個非仿射非線性系統的容錯控制器不是一件簡單的事情，有兩個難點要 充分的解決，一是如何設計一個自適應參數估計算法，二是如何設計一個可重構控制算法。 一個比較常見的自適應參數估計算法就是將系統模型在參數標準值附近泰勒級數展開，利 用泰勒級數的低階項設計參數觀測器。這樣對于參數小范圍攝動的系統能取得較好的估 計，而對于故障這類參數大范圍變化的系統，這樣的方法很難得到理想的參數估計值，如果 系統同時存在外部干擾，估計的參數又會存在誤差，甚至實現不了參數的估計。所以如何針 對故障下的非仿射非線性不確定系統設計理想的參數估計器設計值得探討。現有的一些非 仿射非線性系統的可重構控制器都存在一定的不足，常用的逆系統方法需要尋找系統模型 的逆，雖然有文獻證明了一個可控系統必然存在它的逆，但是找一個逆系統并不是意見容 易的事情，如控制輸入隱含在正弦和余弦函數中。因此有文獻提出一種非仿射控制器設計 方法，但是該方法最大的缺點就是會增加系統的階數。而文獻基于時標分離的方法設計了 一種非仿射控制器，但是該方法不足之處就是該方法很難和現有的自適應技術，滑模技術 等有效的結合。
[0005]


【發明內容】

[0006] 針對以上問題，本申請在所提非仿射控制器設計的基礎上，基于觀測器技術設計 一種將參數信息和干擾信息隱含其中的輔助系統設計控制器，實現非仿射非線性系統的魯 棒自適應容錯控制。并將該方法應用于飛控系統中，仿真結果顯示所提方法的有效性，為達 此目的，本發明提供所述飛行器的系統采用非仿射非線性系統： i = f(x，u) + d(t) (5. 1) 其中：re 為狀態向量，ue i?5為輸入向量，d e if為未知有界的外部擾動向量，/0 為非線性函數： 具體控制步驟如下， 1) 控制器對所接收信號源輸入的參數xm (m=l，2···..)，其中m表示由m個信號源輸 入以及濾波器所得的信號源um (m=l，2···..)，其中m表示由m個信號源輸入以及由輔助系 統所得到的不穩定信號源的參數元0； F以及飛行器的輸出信號X進行處理得到信號變 量u。并將信號變量u。傳輸給濾波器以及飛行器以及輔助系統； 2) 所述濾波器對所得信號變量u。進行處理得到信號源um并將所得信號源um傳輸給控 制器； 3) 所述飛行器得到信號變量u。后通過非仿射非線性系統進行處理得到輸出信號X，并 將輸出信號X輸出，并將輸出信號X傳輸給控制器以及輔助系統； 4) 所述輔助系統對所得到飛行器的輸出信號X以及控制器處理所得信號變量u。進行 處理得到的不穩定信號源的參數并將所得不穩定信號源的參數傳輸 給控制器。
[0007] 作為本發明一種改進，所述步驟1中控制器模型如下： ? = Λε + + v(f) (5. 18) 選取Κ在義附近，并將句在W處進行泰勒級數展開得： F\x為,ff)= F(x,us，&)+ -us)+ (Xf) (5. 19) 其中：

【權利要求】
1. 基于非仿射非線性無人飛行器魯棒自適應容錯控制方法，其特征在于：所述飛行器 的系統采用非仿射非線性系統： x = f(x,u)+d(t) (5. 1) 其中：xe if為狀態向量，u€ if為輸入向量，d e if為未知有界的外部擾動向量，/(.) 為非線性函數： 具體控制步驟如下， 1) 控制器對所接收信號源輸入的參數xm (m=l，2···..)，其中m表示由m個信號源輸 入以及濾波器所得的信號源um (m=l，2···..)，其中m表示由m個信號源輸入以及由輔助系 統所得到的不穩定信號源的參數
以及飛行器的輸出信號X進行處理得到信號變 量u。并將信號變量u。傳輸給濾波器以及飛行器以及輔助系統； 2) 所述濾波器對所得信號變量u。進行處理得到信號源um并將所得信號源um傳輸給控 制器； 3) 所述飛行器得到信號變量u。后通過非仿射非線性系統進行處理得到輸出信號X，并 將輸出信號X輸出，并將輸出信號X傳輸給控制器以及輔助系統； 4) 所述輔助系統對所得到飛行器的輸出信號X以及控制器處理所得信號變量u。進行 處理得到的不穩定信號源的參數
并將所得不穩定信號源的參數
傳輸 給控制器。
2. 根據權利要求1所述的基于非仿射非線性無人飛行器魯棒自適應容錯控制方法，其 特征在于：所述步驟1中控制器模型如下：
(5. 18) 選取4在七附近，并將在4處進行泰勒級數展開得：
(5. 19) 其中：

(5. 18)可以又表示為： (5. 21) 由（5. 19)可以看出，如果心越接近心，則泰勒級數的高階無窮小量αχ)越趨向于0,即
(5. 22) 由于實際中4是被設計的控制器所計算出來的，當前時刻是未知的，所以無法直接得 到它附近的S，于是這里引入濾波器用于估計和確定S，引入的濾波器如下： + ^ (5. 23) 因此由濾波器（5. 23)，可以得到to
，
亍是，通過以上分析， 觀測器動態方程（5. 18)可以表示為：
(5. 24) 定義觀測器狀態變量?的跟蹤誤差為€ = ，利用動態逆，則基于方程（5.24)設計 控制律如下：
(5. 25) 控制增益?：可以由如下的Riccati方程求得： KrPl + P1K = -Ql (5. 26) 其中尸廣礦>〇 ,a=ef >0。
3.根據權利要求1所述的基于非仿射非線性無人飛行器魯棒自適應容錯控制方法，其 特征在于：所述步驟4中輔助系統模型如下： 定義d為σ的估計值，將函數在?附近進行一階泰勒級數展開，可得到： /(X為,· f(x為,&) + gi(x八費) (5. 7) 其中：
基于（5. 7)和（5. 8)，（5. 5)又可以寫成如下方程： X = ^{χμ, , σ) + ,〇)σ + υ(?) (5. 9) 其中： = 的-S辦，\，句行 (5. 10) u(f)= φ)+?(?) (5. 11) 可以看出u(i)是未知的且有界的，定義為|μ(?)||?σ : 定義f=z-x，其中z為狀態x的觀測值。針對（5. 9)，設計如下觀測器： ζ = Λ(ζ - τ') + Jl(x,u￡, σ) + giCx.u,, σ)σ+ v(t) (5. 12) 并由如下的自適應律得出A;
(5. 13) 其中> 0 , 蘆> 0且JD是#尸+ B4 = -ρ的解，其中ρ = > 0，即i為一個Hurwitz 矩陣。其可以確保估計值處于設定的最小值3和最大值R之間。滑模項設計如下，
(5. 14) 時變參數m(i)由如下自適應律更新得到： m(t) = Γετε, r<0) > Ο (5. 15) 定義失效因子估計誤差為由觀測器方程（5. 12)和方程（5. 9)，可以得到觀 測誤差動態方程為： ?=Αε+ (5. 16) 〇
【文檔編號】G05B13/04GK104102132SQ201410293083
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月27日 優先權日:2014年6月27日
【發明者】周洪成, 胡艷 申請人:金陵科技學院