基于滑动模态的三自由度直升机姿态跟踪容错控制方法

作     者：杨其伟 

作者单位：山东科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周东华;王向华

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：三自由度直升机 容错控制 状态观测器 滑模控制 

摘      要：随着现代科学技术的飞速发展,控制系统日益大型化和复杂化,一旦出现故障,可能会造成巨大的财产损失和人员伤亡,因此容错控制技术显得尤为重要。文章以Quanser公司设计生产的三自由度直升机半实物仿真平台中的三自由度直升机作为研究对象,研究执行器故障下基于状态反馈和输出反馈的姿态跟踪容错控制问题。为了解决执行器故障下的容错控制问题,文章首先根据三自由度直升机半实物仿真平台的硬件组成和工作原理,并结合其特点,分别建立了三自由度直升机俯仰轴、升降轴和航向轴方向上的动力学方程。围绕建立的动力学方程,对模型的可控性和可观性进行分析,为之后设计姿态跟踪容错控制器提供了基础。其次,针对三自由度直升机为欠驱动系统,将其中一个控制输入分解成两个虚拟输入,从而得到解耦后的三个子系统,方便后续的容错控制器设计。然后,提出了一种新型的滑模控制律设计方法,并针对三自由度直升机执行器故障情形,设计了一种基于状态反馈的容错控制器,实现了三自由度直升机的姿态跟踪容错控制。最后,提出了一种基于超扭曲滑模的状态观测器设计方法,解决了部分状态不可测量的状态估计问题,设计了一种基于输出反馈的容错控制器,使三自由度直升机在执行器故障下仍正常运行。为了验证算法的有效性,对算法进行了仿真和实验验证。结果表明,在执行器发生故障时,所设计的姿态跟踪容错控制器能够使三自由度直升机的姿态跟踪性能维持在一个较高的水平。