文档介绍：中图分类号:TP277 论文编号:1028703 12-S095
学科分类号:081105
硕士学位论文
基于观测器的四旋翼直升机姿态系统
主动容错控制研究
研究生姓名杨新哲
学科、专业导航、制导与控制
研究方向故障诊断与容错控制
指导教师姜斌教授
南京航空航天大学
研究生院自动化学院
二О一二年三月
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
The Graduate School
College of Automation Engineering
Research about Observer Based Active
Fault Tolerant Control for
Quad-rotor Helicopters
A Thesis in
Navigation, Guaidance and Control
by
Yang Xinzhe
Advised by
Prof. Jiang Bin
Submitted in Partial Fulfillment
of the Requirements
for the Degree of
Master of Engineering
March, 2012
承诺书
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行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致
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(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)
作者签名:
日期:
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
随着直升机性能的不断提高,飞行品质、飞行安全性以及容错能力的要求也越来越高,直
升机飞控系统作为直升机重要组成部分,对于飞行性能和安全性起着非常重要的影响。然而由
于强气流扰动、飞鸟等不可预知、不可控的外界因素可能会直接影响直升机的飞行状态,甚至
会影响到飞行品质和飞行安全,因此研究直升机飞控系统的容错控制问题具有相当重要的意义。
容错控制的目的在于不仅保证直升机在正常情况下的飞行性能和飞行品质,而且当直升机发生
故障时,通过调节控制器以帮助飞行器在满足一定稳定性和可操纵性的要求,可以继续执行飞
行任务或安全迫降,从而不至于机毁人亡。为此,本文以四旋翼直升机为主要研究对象,以满
足 H性能的鲁棒算法为理论基础,利用线性矩阵不等式(linear matrix inequalities, LMIs)工具
箱,对直升机控制系统进行主动容错控制问题研究。
首先,介绍了主动容错控制技术主要研究方法,发展现状,并阐述四旋翼直升机执行器故
障问题,根据四旋翼直升机飞行动力学特点,分析并提出了一种基于执行器故障的姿态系统故
障模型。
其次,根据所建立的系统故障模型,提出一种多观测器的故障诊断方法,采用了 Luenberger
故障检测观测器和故障估计观测器相结合的故障检测估计方法,有效解决了系统控制分配阵不
满秩的情况,将该情况有效的转化为满秩情况下故障估计算法,并利用 LMIs 工具求解其 H性
能下的可行解。
然后,根据故障检测和故障估计的结果,设计反馈控制律,保障系统在单通道损伤故障情
况下,仍然能够比较理想的接近原系统控制性能。文中先后采用了基于 H鲁棒性能的输出反
馈和状态反馈,构造 LMIs 约束下的凸优化问题,利用 matlab 工具箱求解其可行解。同时将两
种方法进行了比较,根据仿真结果提出了一种比较满足系统物理可实现情况的可靠控制律。
最后,将本文提出的基于多观测器主动容错控制方法应用于 quanser 半物理仿真平台,针
对三自由度四旋翼直升机模型,构建容错控制系统。从物理系统运行情况看,算法可以稳定快
速的检测故障发生情况,并且在执行器故障下能够有效的稳定系统,补偿损伤故障对系统的影
响。
关键词:四旋翼直升机,飞行控制系统, H鲁棒控制,主动容错控制,多观测器,线性矩阵
不等式
I
基于观测器的四旋翼直升机姿态系统主动容错控制研究
Abstract
With the improvement of h