涵道式陆空无人车辆的故障诊断与容错控制

• 作 者: 刘力源
• 出 处: 北京理工大学
• 发表日期: 2020年03期
• 关键词: 涵道式陆空无人车辆 容错控制 H_∞综合 无迹多模型自适应故障诊断 可重构控制分配

本课题旨在为陆空纵列双涵道式陆空无人车辆的可靠飞行问题提供完整的解决方案。设计了高性能的鲁棒容错综合控制器,以应对难以检测的机体缓变故障及执行器小偏差故障;并针对执行器突发故障,提出了一套结合在线故障诊断与可重构控制分配技术的主动容错控制方案。研究内容包括如下几方面:1)开展了基于_∞综合方法的鲁棒容错控制技术研究,完成了内外环飞行控制的鲁棒容错方案设计,提升了系统对于机体结构缓变故障、执行器小偏差故障的鲁棒性。将上述故障转化为作用于系统中的有界乘性摄动,利用结构奇异值和混合灵敏度优化方法,综合包括鲁棒稳定性、扰动抑制、响应速度、执行器抗饱和等多个性能目标,进行结构化的_∞综合控制器设计,并利用非光滑优化技术寻优求解控制器参数。通过数值仿真及飞行测试手段对所设计的鲁棒容错控制方案进行了验证,其频域、时域两方面性能均达到了高可靠性飞行品质指标。2)完整地设计了包含在线故障诊断和可重构控制分配的适用于涵道式陆空平台的主动容错控制系统,用以解决超出鲁棒容错控制器鲁棒性范围的故障问题。结合无迹卡尔曼滤波算法与多模型自适应估计方法,创新性地提出了一种适用于本非线性系统的无迹多模型自适应故障诊断方法,用于在线实时监测各个执行器的健康状态,并对故障执行器的偏转量进行准确估计,而无需额外增加传感器,也无需预先建立传统方法所需要的故障模型,只需要一个滤波器就可以监测相应执行器的全部故障情形。与现有方法仿真对比表明,所提出的方法具有诊断迅速、故障定位准确、鲁棒性强、计算量小、便于工程实现等诸多优势。3)设计了采用显式控制律的可重构控制分配系统,并为潜在的单故障及多故障模式制定了完备的解决方案。在检测到故障发生后,控制分配模块利用各执行器之间的功能冗余,重新分配各执行器的控制任务,以补偿故障执行器动作。不同于传统方法,本方案既无需重构自动驾驶控制律,也无需在线求解优化问题,具有较高的计算效率和工程应用价值。利用数值仿真方法模拟飞行故障,结果验证了所设计的控制分配模块能够迅速、有效地消除执行器故障对飞行姿态保持所造成的不利影响,保证了故障状态下的飞行稳定。