[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

摘要

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。该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五个部分。本发明基于建立的姿态环非线性数学模型，采用PD控制器、支持向量机自适应容错控制器和动态逆控制器，解决了系统多故障和多干扰下的故障容错问题。该方法可操作性强，实现简单，可以用于三自由度直升飞机的执行器故障的验证测试中。

主权项

一种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，该控制方法所采用的容错控制装置，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；干扰与故障注入装置用来将模拟的故障信息注入直升机的控制通道中；数据采集卡通过内置传感器，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数据和误差数据，利用容错控制算法给出容错控制律，并将控制律以数字信号形式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接收并解析容错控制律后，经由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，直到实现实际输出对期望输出的渐近跟踪；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自适应容错控制器主要用来处理常规PD控制器所无法应对的多故障，PD控制器用来实现跟踪控制问题，两者结合后利用采集的状态和误差信息确定系统最终的参数化控制律，并输出至动态逆控制器；动态逆控制器输出的实际物理控制律被发送至数据采集卡中；该控制方法，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，并利用参考模型信息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；其特征在于，所述步骤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（2）其中，为动态逆控制器的伪控制量，表示无误差情况下的状态量，则动态逆控制器输出的控制输入为（3）若无法求逆，则求出近似逆矩阵，误差部分由步骤3中的支持向量机自适应控制器补偿；基于系统工作正常时的状态空间表达式（1）和（2），定义故障下模型为：（4）其中是由干扰、执行器故障、非线性误差建模所带来的逆误差项。