[发明专利]基于支持向量机的三自由度直升机容错控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于支持向量机的三自由度直升机容错控制装置及方法，属于飞行器容错控制领域。

背景技术

航空直升机的发展近年来受到社会的广泛关注，它关系着国家安全和对空间的开发利用能力，获得了世界各国的大力投入。由于直升机本身结构的复杂性和所处环境的不确定性，运行过程中易发生各种故障，而传统的PID控制系统对于执行器失效、卡死、受损等故障的容错能力较弱，故障发生时一般不能正常工作。为保证系统的应急处理能力，确保故障后系统能安全运行，并在可以接受的损失范围内继续工作，对系统进行故障评估、分析和容错至关重要。

三自由度直升机平台结构简单、仿真系统全面，可进行模拟直升机飞行状态的多种实验，对直升机机械构造设计、力学特性分析、硬件软件实现、总体控制律设计等方面具有有很强的学习价值。在模拟直升机故障方面，由于较高的仿真测试性价比，节省了直升机研发过程中的成本、人力和时间，成为实现直升机总体控制律设计和测试阶段可靠性验证的重要参考平台。

为测试直升机控制系统的可靠性和故障监测能力，并实现故障损害分析和容错系统设计，通常通过硬件冗余来实现系统面对故障时可靠性的提高，但系统成本、飞行器质量和操作复杂度都有所增加；而解析冗余利用数学工具，通过设计先进控制方法，监测系统状态和飞行误差，并估计故障产生的位置、时间、大小，挖掘飞行器本身存在的冗余度设计容错控制律，不增加额外成本和复杂度，但对此技术具体的实现装置和方法，现有文献鲜有描述。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于支持向量机的三自由度直升机容错控制装置及方法。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种基于支持向量机的三自由度直升机容错控制装置，包括干扰与故障注入装置、直升机系统平台、功率放大器、数据采集卡以及计算机故障诊断装置，其中，干扰与故障注入装置与直升机系统平台相连，将模拟的故障信息注入直升机平台中；数据采集卡通过直升机平台的内置传感器，采集直升机的状态信息和误差信息；计算机故障诊断装置接收数据采集卡传出的状态信息和误差信息，得到容错控制律，并将控制律重新发送给数据采集卡；数据采集卡的信号编译及转换装置处理容错控制律后，经过功率放大器将控制指令传输给直升机系统平台中的电机执行容错调整，直到误差为零。

所述的数据采集卡包括数据采集装置、信号编译及转换装置，其中数据采集装置用于采集直升机系统平台的电压输入信息和姿态角角度、角加速度输出信息，信号编译及转换装置用于处理直升机系统平台与计算机故障诊断装置之间的编解码和模电转换操作，信号编译及转换装置和数据采集装置顺序连接。

所述的计算机故障诊断装置包括状态信息模块、误差信息模块、SVM自适应容错控制器、PD控制器和动态逆控制器，其中状态信息模块和误差信息模块获得数据采集卡输出的状态和误差信息；SVM自适应容错控制器和PD控制器利用采集的状态和误差信息确定控制律，并输出至动态逆控制器；动态逆控制器输出的最终结果发送至数据采集卡中。

基于支持向量机的三自由度直升机容错控制装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立机体坐标系，确定俯仰、滚转和偏航轴的定义，并建立正常情况下的动力学姿态的非线性动力学模型；

步骤2、确定直升机动力学姿态系统无故障时的状态空间表达式；将故障注入系统中，确定系统故障下的状态空间表达式；

步骤3、在步骤2的基础上从数据采集卡中得到系统的俯仰、滚转、偏航角大小和速度，即状态信息，将参考模型中的状态量参考值与上述状态信息相减，得到误差信息，由此构造三自由度直升机飞行姿态的容错控制器，实时监测俯仰和滚转方向上的执行器故障和其他干扰，并将容错控制律输出至数据采集卡中，经功率放大器，将控制信号传输给电机执行。

步骤1中所确定的正常情况下的动力学姿态的非线性动力学模型的状态空间表达式为：

                                                                                       （1）

其中，状态向量，、、分别为直升机的俯仰角、滚转角和偏航角，、、分别为直升机的俯仰角速度、滚转角速度和偏航角速度；输入量，和分别为直升机左、右两个电机的电压值；、和的定义如下：

其中，-为常量系数；

定义