四旋翼直升机姿态控制系统的自适应容错控制算法研究

发布时间：2017-03-21 14:08

  本文关键词：四旋翼直升机姿态控制系统的自适应容错控制算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四旋翼直升机是一种结构简单、可垂直起降的多旋翼飞行器，在现代社会的军事和民用领域都发挥着越来越重要的作用，但由于其姿态控制系统具有强耦合、过驱动等复杂特性，使其对外部干扰极为敏感，且容易发生故障，因此其容错控制问题成为了近几年来研究的热点。本文针对四旋翼直升机的外部干扰以及执行器故障，对其姿态控制系统的容错控制问题进行了研究，提出并设计了四种不同的自适应容错控制算法，其中研究的主要内容如下： （1）首先，阐述了四旋翼直升机的结构组成及飞行原理，根据系统的受力特点，基于拉格朗日方程建立了其姿态控制系统的数学模型。其次，详细地介绍了本文的仿真研究对象，，三自由度四旋翼直升机半物理仿真平台的系统组成及工作原理，并给出其模型的参数值。 （2）针对四旋翼直升机的外部干扰补偿问题，本文运用模型参考自适应控制（MRAC）方法，在常规自适应控制器的基础上，设计了干扰补偿算法及其参数自适应律。本文设计的自适应补偿控制器不仅实现了对外部干扰的补偿，还确保了四旋翼直升机的姿态角能够准确地跟踪参考系统的状态输出。 （3）针对四旋翼直升机的执行器故障以及外部干扰，基于干扰观测器和切换控制策略，提出了一种自适应容错控制方案，实现了对其执行器卡死故障及外部干扰的补偿。然后又继而考虑了执行器的部分失效故障，通过引入系统状态及其误差的反馈，设计了一种直接自适应容错控制算法，在执行器故障参数和外部干扰的上界均未知的情况下，该算法既实现了对外部干扰和执行器故障的补偿，又保证了姿态角的跟踪性能。 （4）在上述研究的基础上，继续考虑了系统的参数不确定性，针对四旋翼直升机的外部干扰、执行器故障以及系统参数不确定性，通过引入系统状态及其误差的反馈，设计了一种直接自适应容错控制器，该算法的设计有效地保证了四旋翼直升机的姿态角对参考系统状态的有界跟踪。 （5）将上述方案应用于三自由度四旋翼直升机半物理平台进行数字仿真研究，仿真结果表明了本文设计方案的有效性和可行性。
【关键词】：四旋翼直升机 外部干扰 执行器故障 参数不确定性 自适应容错控制 干扰观测器
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V275.1;V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 研究背景及研究意义12-13
• 1.2 容错控制技术及自适应控制方法概述13-16
• 1.2.1 容错控制技术介绍13-14
• 1.2.2 自适应控制方法介绍14-16
• 1.3 国内外研究现状16-20
• 1.3.1 四旋翼直升机国内外研究现状16-18
• 1.3.2 四旋翼直升机容错控制研究现状18-20
• 1.4 论文主要内容与章节安排20-22
• 第二章 四旋翼直升机姿态控制系统建模及半物理仿真平台介绍22-29
• 2.1 引言22
• 2.2 四旋翼直升机系统的结构组成及飞行原理22-23
• 2.3 四旋翼直升机姿态控制系统建模23-26
• 2.4 3-DOF 四旋翼直升机半物理仿真平台简介26-27
• 2.5 本章小结27-29
• 第三章 四旋翼直升机姿态控制系统的自适应干扰补偿算法设计29-35
• 3.1 引言29
• 3.2 自适应控制器设计29-32
• 3.2.1 控制问题描述29-30
• 3.2.2 自适应补偿控制律设计30-32
• 3.3 系统仿真及结果分析32-34
• 3.4 本章小结34-35
• 第四章 基于干扰观测器的四旋翼姿态控制系统自适应容错控制35-46
• 4.1 引言35
• 4.2 自适应控制器设计35-41
• 4.2.1 控制问题描述35-36
• 4.2.2 干扰观测器设计36-37
• 4.2.3 自适应容错控制律设计37-41
• 4.3 系统仿真及结果分析41-45
• 4.4 本章小结45-46
• 第五章 四旋翼直升机姿态控制系统的直接自适应容错算法设计46-55
• 5.1 引言46
• 5.2 自适应控制器设计46-51
• 5.2.1 控制问题描述46-47
• 5.2.2 自适应容错控制律设计47-51
• 5.3 系统仿真及结果分析51-53
• 5.4 本章小结53-55
• 第六章 含系统不确定性的四旋翼姿态控制系统自适应容错控制55-65
• 6.1 引言55
• 6.2 自适应控制器设计55-61
• 6.2.1 控制问题描述55-57
• 6.2.2 自适应容错控制器设计57-61
• 6.3 系统仿真及结果分析61-63
• 6.4 本章小结63-65
• 第七章 总结与展望65-67
• 7.1 全文总结65-66
• 7.2 研究展望66-67
• 参考文献67-72
• 致谢72-73
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文73

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 谭建豪;王耀南;王媛媛;张艺巍;王楚;陈谢沅澧;;旋翼飞行机器人研究进展[J];控制理论与应用;2015年10期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 张智攀;四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现研究[D];河北工程大学;2015年

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本文编号：259761