[发明专利]飞行器可重构控制系统实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种飞行器控制领域的技术，具体是一种多桨和多舵面组合飞行器的可重构控制系统实现方法。

背景技术

现有技术中飞行器控制系统重构方法有两种方式：一种利用硬件(多传感器和多作动器备份)方法实现，这种方法已经应用于当前飞行器控制系统中，但该方法给系统带来重量和成本的增加；另外一种是通过一定的容错算法实现的，是充分利用故障信息对故障下系统建模，利用飞行器气动和结构上的冗余，按照一定的算法进行控制方法或控制律调整，使得系统飞行器稳定，并且满足故障下系统性能要求，该方法易于实现，不提高硬件成本，因此得到广泛应用。

经过对现有技术的检索，中国文献专利号CN101321667B公开(公告)日2013.06.05，公开了一种飞行器控制系统，针对客机上的阵风和/或结构载荷的重构方法。该方法在控制系统中加入非线性观测器，把操纵输入和控制器输出作为观测器的输入，通过在观测器中集成一定的算法，使得观测器输出为阵风和载荷结构，从而实现对阵风和载荷的重构。但该重构方法引入了观测器，增加了设备占用的空间和设备的费用；利用测量误差来驱动观测器模型，改变了系统原有的控制规律，容易造成系统不稳定。

邱岳恒，赵鹏轩等在“基于ABC广义逆优化算法的重构控制研究”([J],测控技术,2014,33(8).)中公开了基于广义控制分配法的基本原理，并采用人工蜂群算法对加权矩阵参数寻优以提高分配效率，然后对三种典型故障推导出对应的重构分配器，最后通过仿真验证了方法的可行性，该方案采用的智能算法具有计算量较大，不容易收敛，受初始值影响等问题，在实际工程应用有很大的局限性。

闫骁娟，陈丽在“平流层演示验证飞行器可重构控制系统设计”([J],测控技术，2012,31(8).)是一种基于广义逆的可重构的控制系统设计，是基于本研究组成员前期工作发表的，文中初步考虑十型尾翼和两个矢量螺旋桨，并进行纵向和横向解耦的控制器设计。但该技术针对解耦的控制系统进行，难以实现飞行器的通用可重构控制器设计。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷和不足，本发明提出一种飞行器可重构控制系统实现方法，充分利用多执行机构的优势，不进行控制器的解耦，直接进行全状态控制器设计，通过建立执行机构故障类型与操纵效率加权矩阵取值对照表，采用加权伪逆法解决多螺旋桨与气动舵面组合飞行器的非线性操纵的控制分配与可重构问题，本发明能够应用于多矢量螺旋桨与气动舵面组合飞行器，在执行机构发生故障时，不需改变控制律，只通过改变操纵效率加权矩阵的权值，就可实现控制系统的快速可重构。本发明适用于多矢量螺旋桨和多舵面组合飞行器；且多螺旋桨之间、多舵面之间也存在控制分配环节。

本发明具体通过以下技术方案实现：

本发明涉及一种飞行器可重构控制系统，包括：控制器模块、力矩控制分配模块、舵面重构分配器、矢量推力重构控制器、两个故障识别单元和状态测量单元，其中：控制器模块根据跟踪输出误差输出总的控制力和力矩至力矩控制分配模块，力矩控制分配模块进行舵面和矢量推力的力和力矩分配，两个故障识别单元分别根据飞行器的螺旋桨和舵面的故障数据设定故障权值系数，并分别输出至舵面重构分配器和矢量推力重构控制器以实现可重构控制分配，得到实际控制量并输出至飞行器，状态测量单元对飞行器的当前位置和状态检测并反馈实现闭环控制。

所述的控制器模块通过常规的PID(比例‐积分‐微分控制器)控制器实现，该控制器模块通过调节其中的P、I、D(比例‐积分‐微分)三个参数，实现对飞行器位置和姿态的基本控制，其输入为目标跟踪轨迹和当前状态反馈值，输出为六维控制力和力矩F_T。

所述的故障识别单元判断的故障包括但不限于：舵面卡死在零位；螺旋桨i正常出力；螺旋桨i损坏不出力；螺旋桨i转角卡死，推力正常；螺旋桨i转角正常，推力效率降低；螺旋桨i转角卡死，推力效率降低。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用加权广义逆方法设计的可重构控制系统，当执行机构发生故障时，不需改变控制律，只通过改变操纵效率加权矩阵的权值，就可实现控制系统的快速可重构。通过引入间接控制量，操纵矩阵的逆与执行机构的状态无关，可以离线计算，减少控制器的计算量。本发明能够首先在舵面和矢量推力之间进行分配，然后充分利用好的执行机构后，如果控制能力不够再在故障的执行机构中分配，仿真实验结果也表明，本发明设计的可重构系统实现简单、计算量小，对多种故障有较强的鲁棒性，能够实现若干故障下的系统可重构，显著增强系统的容错飞行能力。

附图说明