[发明专利]一种基于滑模的不确定时滞系统的自适应容错控制方法

说明书

本发明公开了一种基于滑模的不确定时滞系统的自适应容错控制方法。考虑四旋翼飞行器在存在输入时滞和外部扰动的情况下发生执行器故障，结合自适应控制和滑模控制，提出一种容错控制方法。设计了时滞提前预测器对系统的输入时滞进行处理。采用矩阵全秩分解法和设计滑模面的方法来解决执行器故障问题。自适应滑模控制器取代故障检测和隔离机制自动更新补偿执行器故障的影响。通过自适应H₂性能保证闭环系统的渐近稳定性。本发明方法通过设计自适应滑模控制器，可以实现控制器增益的在线调整，使得所提控制律为最优，有效地提高了四旋翼飞行器飞行的控制精度和响应速度，可为带有执行器故障的复杂四旋翼飞行器提供容错控制器设计依据。本发明用于带有输入时滞的四旋翼飞行器的容错控制。

技术领域

本发明涉及一种基于滑模的四旋翼飞行器的自适应容错控制方法，属于飞行器控制领域。

背景技术

典型的四旋翼直升机，四个旋翼呈十字形分布在前、后、左、右四个方向。每个旋翼都连接一个直流电机，控制律通过调节直流电机的转速来控制旋翼的转速，从而调节四个方向顶点的升力。为了抵消旋翼旋转产生的反扭矩，前后为一组，左右为一组，两组旋翼按照相反的方向旋转，因此不需要像常规单旋翼直升飞机借助尾桨来消除扭矩。四旋翼直升机是一个复杂的被控对象，具有多输入多输出以及非线性、强耦合、时滞等各种各样的复杂问题，且在飞行过程中会不可避免地遇到扰动、发动机振动等不确定因素，加之缺少人员的实时操纵，直升机一旦发生故障，将会引起严重的后果。因此容错控制器需要在系统存在时滞和不确定性的情况下仍然具备较强的鲁棒容错能力。

目前对四旋翼飞行器的容错控制方法主要分为主动容错控制和被动容错控制，由于被动容错控制在设计上有很大的优势，由于控制器的结构和参数是固定的，因此无需外界其他硬件的辅助，可以通过这些已知的经验信息来获得故障信息，无需故障诊断环节，因此可以做到极大程度地节约成本，同时表现出很好的即时性，实现性和实用性。被动容错控制通常不需要故障检测与诊断单元，只需通过设计固定的控制器，给系统可能发生的故障留下一定的裕度，使得某些故障无法对闭环系统造成影响，就能实现容错，达到最终的需求。

由于滑模控制的滑动模态对系统参数摄动和外加干扰有完全的自适应性，因此非常适合处理四旋翼直升机飞控系统的被动容错控制问题。它的控制是不连续的，控制过程中，闭环系统的结构不停的变化，迫使系统状态沿着预先设计好的滑模面运动，渐渐“滑”向状态平衡点，即渐近稳定。其最主要的优点是一旦系统状态量到达滑模面，系统便不受参数变化和外界扰动的影响。滑模控制广泛用于飞行控制系统中，为飞行控制系统的容错控制提供了新思路。

为了有效处理四旋翼飞行器飞行控制系统中存在的时滞和不确定性，叶思隽提出了一种鲁棒容错控制算法。孙新柱针对不满足匹配条件的不确定系统提出了一种可靠跟踪控制器，贾新春则研究了不确定线性时滞系统的可靠保性能问题。但现有方法多为结构固定单一的被动容错控制，对复杂的飞行控制系统很难有很好的控制效果，因此本发明有很好的实用性。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于滑模的不确定时滞系统的自适应容错控制方法，设计了时滞提前预测器对系统的输入时滞进行处理。采用矩阵全秩分解法和设计滑模面的方法来解决执行器故障问题。自适应滑模控制器取代故障检测和隔离机制自动更新补偿执行器故障的影响。

技术方案：一种基于滑模控制的四旋翼飞行器的自适应容错控制方法，其特征在于：考虑四旋翼飞行器存在输入时滞、外部干扰和执行器故障，结合自适应控制和滑模控制，提出一种容错控制方法，使得飞行器在发生执行器故障后能够继续安全飞行。根据所获取的飞行器的模型参数，采用矩阵全秩分解法和设计滑模面的方法来解决执行器故障问题，最终达到容错控制的目的。包括如下具体步骤：

步骤1)获取四旋翼飞行器的控制模型：

z(t)＝C₁x(t)，