基于预测控制的四旋翼飞行器容错控制研究
发布时间：2020-12-16 09:00
四旋翼飞行器是一种结构简单、易操纵、可垂直起降和悬停的多旋翼飞行器,广泛应用于军事和民用领域。但由于四旋翼飞行系统具有强耦合、数学模型不确定等复杂特性,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。本文分别针对单个四旋翼系统和四旋翼编队系统,在系统存在多执行器故障情况下进行了容错控制方法研究,基于模型预测控制,提出并设计了三种不同的容错控制算法。全文主要内容和创新点如下:首先,阐述了四旋翼飞行器的结构组成及飞行原理,分析推导出四旋翼飞行器的数学模型,得到空间位置方程和三个姿态角方程,并简要介绍了四旋翼容错控制实验仿真平台的系统组成及实验流程。然后,针对存在执行器部分失效故障以及模型参数不确定性的单个四旋翼系统,提出了一种基于滑模观测器的改进预测容错控制方法。构造了观测模型,设计了具有良好鲁棒性的离散滑模观测器,实现多执行器故障的估计。建立了带有嵌入式积分器的增广状态模型,进而设计了一种改进预测控制算法,使得四旋翼系统在多执行器故障下,依然能够保持稳定,并具有良好的控制性能。通过实验仿真验证了所提容错控制方法的有效性。其次,针对执行器部分失效故障和带有...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
早期X结构四旋翼飞行器宾夕法尼亚大学的无人机研究小组[32]
发明了一种重达 1678kg、X 型结构的垂直起降飞机，如图 1.3 所示，并于当年 10 月完成首飞。然而由于动力不足、惯性大、反应迟钝和机械复杂等缺陷，该飞机未得到实际应用。设计发明成为了四旋翼飞行器的结构雏形，是四旋翼发展史上的一个重大转折点。近些年来着各方面科学技术的进步和成熟，关于四旋翼飞行器的科学研究得到了飞速发展。图 1.3 早期 X 结构四旋翼飞行器宾夕法尼亚大学的无人机研究小组[32]针对商业模型机 HMX-4，如图 1.4(a)所示，独立研一套飞控系统。根据已建立的四旋翼动力学模型，设计了基于反馈法的控制器，并将控制用到 HMX-4 实际飞行实验中，取得了不错的飞行效果。
控制输入序列的第一项于被控系统中，在下一个时刻重复PC 有如下几个主要特点[50, 51]：基于模型的控制算法，在模型的选择上，看重的是模型的预预测功能的信息集合，无论它是什么结构形式，都可以被函数、阶跃响应、脉冲响应等。模型预测控制方法打破了，使得该方法具有较广的适用性。除此，预测模型还可以滚动优化提供先验信息。其它控制方法的关键在于是否采用滚动优化和滚动实施控，更新初始状态求解优化性能指标得到新的控制序列，但，从而得到新的状态，并在下一时刻重复进行。传统的最次离线完成的。而在预测控制中，是每一时刻不断地在线义。也正因如此，滚动优化的实施可以始终将优化问题基。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人机编队保持反步容错控制[J]. 李炳乾,董文瀚,马小山. 兵工学报. 2018(11)
[2]基于DE算法的四旋翼编队MPC控制器设计[J]. 赵景波,廖鹏浩,沈汉文,张青伟. 电工技术. 2018(08)
[3]广义预测控制算法在电镀废水处理中的应用[J]. 陈景召,陈军,马世伟. 电镀与环保. 2018(02)
[4]基于Hammerstein模型的非线性分离法预测控制[J]. 李元明,潘红光,邹涛,钱新华. 信息与控制. 2017(02)
[5]基于RQPSO-DMPC的多无人机编队自主重构控制方法[J]. 周绍磊,康宇航,史贤俊,戴邵武,周超. 北京航空航天大学学报. 2017(10)
[6]基于滑模重构观测器的伺服系统容错控制律设计[J]. 高锦秋,鲁家栋,刘景林. 微电机. 2016(06)
[7]基于动态矩阵控制(DMC)的无人艇航向控制设计[J]. 左旋. 工业控制计算机. 2016(01)
[8]小型四旋翼无人机建模与有限时间控制[J]. 廖卫中,宗群,马亚丽. 控制理论与应用. 2015(10)
[9]多机编队系统的协同容错控制[J]. 史建涛,何潇,周东华. 上海交通大学学报. 2015(06)
[10]不确定时变时滞系统的自适应全局鲁棒滑模控制[J]. 杨蒲,倪江帆,姜斌,李霄. 控制与决策. 2014(09)
博士论文
[1]无人飞行器自主检测与避障技术研究[D]. 朱立华.东南大学 2016
[2]分布式随机模型预测控制方法研究[D]. 戴荔.北京理工大学 2016
[3]分布式模型预测控制算法相关研究[D]. 蔡星.浙江大学 2015
[4]小型四旋翼无人飞行器非线性控制方法研究[D]. 宋占魁.大连理工大学 2014
[5]基于模态分割方法的小型无人直升机动力学频域辨识建模[D]. 王冠林.清华大学 2012
[6]多智能体系统分布式预测控制方法研究[D]. 魏善碧.重庆大学 2009
[7]故障诊断与容错控制方法研究[D]. 王德军.吉林大学 2004
硕士论文
[1]四旋翼飞行器位姿控制的滑模控制方法研究[D]. 程致灏.哈尔滨工业大学 2018
[2]基于反步法的四旋翼无人机容错控制[D]. 王仲伦.华东交通大学 2017
[3]时滞不确定离散系统的滑模预测容错控制方法研究[D]. 郭瑞诚.南京航空航天大学 2017
[4]一类时滞系统的容错控制及其在四旋翼飞行器中的应用[D]. 潘旭.南京航空航天大学 2017
[5]执行器故障下的四旋翼直升机飞控系统容错控制技术研究[D]. 张新宇.南京航空航天大学 2014
[6]四旋翼直升机姿态控制系统的自适应容错控制算法研究[D]. 路飞飞.南京航空航天大学 2014
[7]四旋翼直升机多故障系统故障诊断与容错技术研究[D]. 殷芝霞.南京航空航天大学 2013
[8]微型四旋翼飞行器总体设计及其运动控制[D]. 齐书浩.上海交通大学 2013
[9]基于机理分析和频域辨识相结合的微小型无人直升机建模[D]. 王奇.国防科学技术大学 2012
[10]时滞系统的鲁棒模型预测控制[D]. 李善强.哈尔滨理工大学 2010
本文编号：2919900
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
早期X结构四旋翼飞行器宾夕法尼亚大学的无人机研究小组[32]
发明了一种重达 1678kg、X 型结构的垂直起降飞机，如图 1.3 所示，并于当年 10 月完成首飞。然而由于动力不足、惯性大、反应迟钝和机械复杂等缺陷，该飞机未得到实际应用。设计发明成为了四旋翼飞行器的结构雏形，是四旋翼发展史上的一个重大转折点。近些年来着各方面科学技术的进步和成熟，关于四旋翼飞行器的科学研究得到了飞速发展。图 1.3 早期 X 结构四旋翼飞行器宾夕法尼亚大学的无人机研究小组[32]针对商业模型机 HMX-4，如图 1.4(a)所示，独立研一套飞控系统。根据已建立的四旋翼动力学模型，设计了基于反馈法的控制器，并将控制用到 HMX-4 实际飞行实验中，取得了不错的飞行效果。
控制输入序列的第一项于被控系统中，在下一个时刻重复PC 有如下几个主要特点[50, 51]：基于模型的控制算法，在模型的选择上，看重的是模型的预预测功能的信息集合，无论它是什么结构形式，都可以被函数、阶跃响应、脉冲响应等。模型预测控制方法打破了，使得该方法具有较广的适用性。除此，预测模型还可以滚动优化提供先验信息。其它控制方法的关键在于是否采用滚动优化和滚动实施控，更新初始状态求解优化性能指标得到新的控制序列，但，从而得到新的状态，并在下一时刻重复进行。传统的最次离线完成的。而在预测控制中，是每一时刻不断地在线义。也正因如此，滚动优化的实施可以始终将优化问题基。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人机编队保持反步容错控制[J]. 李炳乾,董文瀚,马小山. 兵工学报. 2018(11)
[2]基于DE算法的四旋翼编队MPC控制器设计[J]. 赵景波,廖鹏浩,沈汉文,张青伟. 电工技术. 2018(08)
[3]广义预测控制算法在电镀废水处理中的应用[J]. 陈景召,陈军,马世伟. 电镀与环保. 2018(02)
[4]基于Hammerstein模型的非线性分离法预测控制[J]. 李元明,潘红光,邹涛,钱新华. 信息与控制. 2017(02)
[5]基于RQPSO-DMPC的多无人机编队自主重构控制方法[J]. 周绍磊,康宇航,史贤俊,戴邵武,周超. 北京航空航天大学学报. 2017(10)
[6]基于滑模重构观测器的伺服系统容错控制律设计[J]. 高锦秋,鲁家栋,刘景林. 微电机. 2016(06)
[7]基于动态矩阵控制(DMC)的无人艇航向控制设计[J]. 左旋. 工业控制计算机. 2016(01)
[8]小型四旋翼无人机建模与有限时间控制[J]. 廖卫中,宗群,马亚丽. 控制理论与应用. 2015(10)
[9]多机编队系统的协同容错控制[J]. 史建涛,何潇,周东华. 上海交通大学学报. 2015(06)
[10]不确定时变时滞系统的自适应全局鲁棒滑模控制[J]. 杨蒲,倪江帆,姜斌,李霄. 控制与决策. 2014(09)
博士论文
[1]无人飞行器自主检测与避障技术研究[D]. 朱立华.东南大学 2016
[2]分布式随机模型预测控制方法研究[D]. 戴荔.北京理工大学 2016
[3]分布式模型预测控制算法相关研究[D]. 蔡星.浙江大学 2015
[4]小型四旋翼无人飞行器非线性控制方法研究[D]. 宋占魁.大连理工大学 2014
[5]基于模态分割方法的小型无人直升机动力学频域辨识建模[D]. 王冠林.清华大学 2012
[6]多智能体系统分布式预测控制方法研究[D]. 魏善碧.重庆大学 2009
[7]故障诊断与容错控制方法研究[D]. 王德军.吉林大学 2004
硕士论文
[1]四旋翼飞行器位姿控制的滑模控制方法研究[D]. 程致灏.哈尔滨工业大学 2018
[2]基于反步法的四旋翼无人机容错控制[D]. 王仲伦.华东交通大学 2017
[3]时滞不确定离散系统的滑模预测容错控制方法研究[D]. 郭瑞诚.南京航空航天大学 2017
[4]一类时滞系统的容错控制及其在四旋翼飞行器中的应用[D]. 潘旭.南京航空航天大学 2017
[5]执行器故障下的四旋翼直升机飞控系统容错控制技术研究[D]. 张新宇.南京航空航天大学 2014
[6]四旋翼直升机姿态控制系统的自适应容错控制算法研究[D]. 路飞飞.南京航空航天大学 2014
[7]四旋翼直升机多故障系统故障诊断与容错技术研究[D]. 殷芝霞.南京航空航天大学 2013
[8]微型四旋翼飞行器总体设计及其运动控制[D]. 齐书浩.上海交通大学 2013
[9]基于机理分析和频域辨识相结合的微小型无人直升机建模[D]. 王奇.国防科学技术大学 2012
[10]时滞系统的鲁棒模型预测控制[D]. 李善强.哈尔滨理工大学 2010
本文编号：2919900
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/2919900.html
