基于U模型容错飞行控制系统的研究
发布时间：2021-10-04 22:54
飞行器在飞行过程中都面临着复杂多变的外部空间环境,同时自身内部的元件也会因为磨损等原因发生故障,这些问题都会在不同程度上影响飞行控制系统的稳定性和可靠性。因此,基于现有的飞行控制系统,结合容错控制的思想,提出一种新的设计控制器的方法来提高控制系统的稳定性,保证飞行器的安全性。本文将U模型与容错控制相结合,针对单输入单输出（Single input single output,SISO）系统和多输入多输出（Multiple input multiple output,MIMO）系统设计控制器。在设计SISO系统的控制器时,将四旋翼飞行控制系统作为被控对象。当系统发生执行器故障时,利用滑模控制的方法提高系统的鲁棒性,满足被控系统的性能要求,最后通过仿真验证。在设计MIMO系统的控制器时,将波音747的纵向飞行控制系统作为被控对象。当系统受到外界干扰时,利用基于U模型的广义预测控制（Generalized Predictive Control,GPC）方法设计控制器,提高系统的被动容错性能,最后通过仿真验证。利用U模型设计控制器的方法可以适应更多形式的被控对象模型,同时在控制器的设计过程中更...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
容错控制分类图
中国民航大学硕士论文14（3）在实际生产应用中，面对复杂的非线性对象，通过采样、辨识基本上都可以写成U模型的标准形式，具有很强的通用性。（4）U模型使被控对象在设计控制器时可以使用部分线性系统设计控制器的方法，简化了控制器的设计过程。在设计基于U模型的控制器时，只需要求解一个非线性系统方程即可求出控制器输出，计算过程简单，计算量校2.2U模型的求解U模型是非线性模型，但是可以利用线性系统的设计方法来进行控制器的设计。因为U模型包含了线性和非线性的特征，所以可以通过计算伪输入Uk，将线性控制方法与非线性系统之间建立连接，实现利用线性控制方法对非线性系统控制的目的。下面以SISO系统为例，比较利用一般方法设计被控对象的控制器和基于U模型方法设计被控对象的控制器的区别。图2-1中，rt是系统给定的输入也是系统的跟踪轨迹，ut是针对被控对象设计的控制器的输出，yt是系统的实际输出。通过输出反馈形成闭环控制系统，利用反馈校正的方法实现控制效果。但是这种方法的控制器在设计过程中需要针对每个具体的被控对象设计控制器，使得设计出的控制器各不相同。图2-1通用方法设计控制器流程图基于U模型的被控对象在设计控制器时，首先将被控对象设为1，然后根据所需要的性能要求设计出控制器。这样设计出的控制器能够在多个相类似，性能要求相同的被控对象之间使用。当控制器设计完成之后，将被控对象的逆与设计好的控制器相结合便是该被控系统真正的控制器。图2-2是基于U模型的设计控制器的方法原理图。其中，Uk是含有被控对象的真实输入uk1的多项式，可以通过求解伪输入Uk的方法得出真实输
中国民航大学硕士论文15入uk1。该过程就是对Uk多项式进行求根的过程。求解uk1的方法有很多，在本文中，主要利用的是牛顿-拉夫逊迭代算法[50-51]，如式(2.10)所示：图2-2基于U模型设计控制器原理图010(1)(1)(1)()(1)(1)[(1)]/()lNjlllNjlukukaukUkukukdaukduk(2.10)其中l表示的是迭代次数。2.3本章小结本章对现有的非线性系统模型进行对比分析，发现U模型在表示非线性模型时更有优势，因此对其进行了简单的介绍和分析，结合具体情况做了阐述，更加简洁直观的明白其存在的优越性。最后给出介绍了本文解析伪输入的牛顿-拉夫逊算法。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多操纵面飞机非线性有限时间容错控制分配[J]. 支健辉,董新民,陈勇,李洪波,刘棕成,刘远飞. 飞行力学. 2019(03)
[2]基于隐马尔可夫模型的切换飞行控制系统性能分析[J]. 王蕊,李彦骁,孙辉,陈增强. 电子与信息学报. 2017(04)
[3]四旋翼无人系统的容错控制算法设计与实现（英文）[J]. 张友民,余翔,王斑,刘丁. 控制工程. 2016(12)
[4]基于轨迹跟踪的线性时滞系统容错控制[J]. 赵石磊,郭红,刘宇鹏. 信息与控制. 2015(04)
[5]基于LADRC的无人直升机轨迹跟踪[J]. 吴超,王浩文,张玉文,谭剑锋,倪先平. 航空学报. 2015(02)
[6]四旋翼飞行器的容错姿态稳定控制[J]. 宫勋,王丽. 电光与控制. 2014(07)
[7]一类指数Diophantine方程组及其整数解[J]. 杨海,付瑞琴. 西北大学学报(自然科学版). 2013(04)
[8]基于U模型的非线性控制系统设计方法十年发展综述[J]. 徐凤霞,朱全民,赵东亚,李少远. 控制与决策. 2013(07)
[9]过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制[J]. 张爱华,胡庆雷,霍星,马广富. 宇航学报. 2013(03)
[10]四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制[J]. 李俊,李运堂. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2012(01)
博士论文
[1]非线性系统神经网络控制与U模型控制方法研究[D]. 杜文霞.燕山大学 2012
硕士论文
[1]切换系统容错控制性能分析与设计及其飞控应用[D]. 李红.南京航空航天大学 2018
[2]飞行控制系统在数字随机干扰下的性能研究[D]. 李彦骁.中国民航大学 2017
[3]基于U-模型的非线性动态系统自适应控制方法研究及应用[D]. 刘磊.河北科技大学 2011
本文编号：3418495
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
容错控制分类图
中国民航大学硕士论文14（3）在实际生产应用中，面对复杂的非线性对象，通过采样、辨识基本上都可以写成U模型的标准形式，具有很强的通用性。（4）U模型使被控对象在设计控制器时可以使用部分线性系统设计控制器的方法，简化了控制器的设计过程。在设计基于U模型的控制器时，只需要求解一个非线性系统方程即可求出控制器输出，计算过程简单，计算量校2.2U模型的求解U模型是非线性模型，但是可以利用线性系统的设计方法来进行控制器的设计。因为U模型包含了线性和非线性的特征，所以可以通过计算伪输入Uk，将线性控制方法与非线性系统之间建立连接，实现利用线性控制方法对非线性系统控制的目的。下面以SISO系统为例，比较利用一般方法设计被控对象的控制器和基于U模型方法设计被控对象的控制器的区别。图2-1中，rt是系统给定的输入也是系统的跟踪轨迹，ut是针对被控对象设计的控制器的输出，yt是系统的实际输出。通过输出反馈形成闭环控制系统，利用反馈校正的方法实现控制效果。但是这种方法的控制器在设计过程中需要针对每个具体的被控对象设计控制器，使得设计出的控制器各不相同。图2-1通用方法设计控制器流程图基于U模型的被控对象在设计控制器时，首先将被控对象设为1，然后根据所需要的性能要求设计出控制器。这样设计出的控制器能够在多个相类似，性能要求相同的被控对象之间使用。当控制器设计完成之后，将被控对象的逆与设计好的控制器相结合便是该被控系统真正的控制器。图2-2是基于U模型的设计控制器的方法原理图。其中，Uk是含有被控对象的真实输入uk1的多项式，可以通过求解伪输入Uk的方法得出真实输
中国民航大学硕士论文15入uk1。该过程就是对Uk多项式进行求根的过程。求解uk1的方法有很多，在本文中，主要利用的是牛顿-拉夫逊迭代算法[50-51]，如式(2.10)所示：图2-2基于U模型设计控制器原理图010(1)(1)(1)()(1)(1)[(1)]/()lNjlllNjlukukaukUkukukdaukduk(2.10)其中l表示的是迭代次数。2.3本章小结本章对现有的非线性系统模型进行对比分析，发现U模型在表示非线性模型时更有优势，因此对其进行了简单的介绍和分析，结合具体情况做了阐述，更加简洁直观的明白其存在的优越性。最后给出介绍了本文解析伪输入的牛顿-拉夫逊算法。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多操纵面飞机非线性有限时间容错控制分配[J]. 支健辉,董新民,陈勇,李洪波,刘棕成,刘远飞. 飞行力学. 2019(03)
[2]基于隐马尔可夫模型的切换飞行控制系统性能分析[J]. 王蕊,李彦骁,孙辉,陈增强. 电子与信息学报. 2017(04)
[3]四旋翼无人系统的容错控制算法设计与实现（英文）[J]. 张友民,余翔,王斑,刘丁. 控制工程. 2016(12)
[4]基于轨迹跟踪的线性时滞系统容错控制[J]. 赵石磊,郭红,刘宇鹏. 信息与控制. 2015(04)
[5]基于LADRC的无人直升机轨迹跟踪[J]. 吴超,王浩文,张玉文,谭剑锋,倪先平. 航空学报. 2015(02)
[6]四旋翼飞行器的容错姿态稳定控制[J]. 宫勋,王丽. 电光与控制. 2014(07)
[7]一类指数Diophantine方程组及其整数解[J]. 杨海,付瑞琴. 西北大学学报(自然科学版). 2013(04)
[8]基于U模型的非线性控制系统设计方法十年发展综述[J]. 徐凤霞,朱全民,赵东亚,李少远. 控制与决策. 2013(07)
[9]过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制[J]. 张爱华,胡庆雷,霍星,马广富. 宇航学报. 2013(03)
[10]四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制[J]. 李俊,李运堂. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2012(01)
博士论文
[1]非线性系统神经网络控制与U模型控制方法研究[D]. 杜文霞.燕山大学 2012
硕士论文
[1]切换系统容错控制性能分析与设计及其飞控应用[D]. 李红.南京航空航天大学 2018
[2]飞行控制系统在数字随机干扰下的性能研究[D]. 李彦骁.中国民航大学 2017
[3]基于U-模型的非线性动态系统自适应控制方法研究及应用[D]. 刘磊.河北科技大学 2011
本文编号：3418495
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