基于子控制器最優(yōu)組合的Youla參數(shù)化容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)

金楠 王嵩 崔磊 楊洪玖

摘要：針對具有作動器故障的飛行器，本文提出了一種基于子控制器最優(yōu)組合的Youla參數(shù)化容錯(cuò)控制器。該方法根據(jù)Youla參數(shù)化理論設(shè)計(jì)標(biāo)稱控制器，設(shè)計(jì)了一種能夠提供作動器的故障信息的故障重構(gòu)算法，并且構(gòu)造出可以利用故障信息進(jìn)行對設(shè)計(jì)的容錯(cuò)控制器進(jìn)行在線調(diào)整的可重構(gòu)的子控制器最優(yōu)組合參數(shù)化矩陣。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的容錯(cuò)控制器可以有效地鎮(zhèn)定故障飛行器，保證飛行的安全可靠性。

關(guān)鍵詞：作動器故障；飛行器；Youla參數(shù)化；容錯(cuò)控制；故障重構(gòu)

中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.05.014

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對航空器、航天器等的可靠性和安全性提出了越來越高的要求[1]，這就不斷地推動著飛行控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)的發(fā)展[2]。為提升飛行器在發(fā)生故障的情況下的可靠性及安全性，對飛行器的容錯(cuò)控制問題進(jìn)行深入研究具有重要的理論與應(yīng)用意義。

近年來，作為一種能夠有效解決航天器執(zhí)行器故障問題的方式，容錯(cuò)控制策略在國內(nèi)外成為業(yè)界的研究重點(diǎn)。容錯(cuò)控制是一類為確保故障控制系統(tǒng)的可靠性與安全性所設(shè)計(jì)的特殊控制算法。容錯(cuò)控制根據(jù)對故障的處理方式的不同[3]，可以分為被動容錯(cuò)控制[2-3]以及主動容錯(cuò)控制[4-8]兩大類。由于被動容錯(cuò)控制是考慮被控系統(tǒng)在故障最嚴(yán)重情況下進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的，雖然可以保證系統(tǒng)在發(fā)生故障情況下的可靠性與穩(wěn)定性，但是系統(tǒng)的性能會變差[3]；主動容錯(cuò)控制主要由故障檢測診斷部分以及控制重構(gòu)兩部分組成，因而主動容錯(cuò)控制具有更好的控制性能。關(guān)于主動容錯(cuò)控制，參考文獻(xiàn)[6]將航天器的故障檢測與估計(jì)單元進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，提出了一種在干擾影響下的航天器主動容錯(cuò)控制技術(shù)，提高了被控系統(tǒng)的安全性及可靠性。為提升控制系統(tǒng)的容錯(cuò)控制性能，參考文獻(xiàn)[7]利用積分滑模的思想控制具有不確定性以及可能發(fā)生執(zhí)行器故障的非線性系統(tǒng)。針對配備不同冗余驅(qū)動系統(tǒng)的多電動飛機(jī)，參考文獻(xiàn)[8]提出了一種新型的主動容錯(cuò)控制方案，該方案將故障控制分配方案與積分滑?？刂破飨嘟Y(jié)合，保證了飛行器執(zhí)行器出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

在很多現(xiàn)有的相關(guān)研究中，利用Youla參數(shù)化進(jìn)行容錯(cuò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一種行之有效的方式。參考文獻(xiàn)[9]首次提出用廣義內(nèi)?？刂频慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)，提出了一種新的反饋控制器結(jié)構(gòu)。其中，控制器的性能和魯棒性設(shè)計(jì)分開進(jìn)行，克服傳統(tǒng)反饋框架中性能和魯棒性之間的沖突。參考文獻(xiàn)[10]對于動態(tài)系統(tǒng)的參數(shù)化故障提出了主動故障診斷方法，并且在設(shè)計(jì)過程中，引入了故障特征矩陣，考慮了與對偶Youla-Jabr-Bongiorno-Kucera（YJBK）傳遞函數(shù)的關(guān)系。參考文獻(xiàn)[11]利用對偶Youla參數(shù)化以及擴(kuò)展系統(tǒng)的參數(shù)化進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)參數(shù)故障的主動故障診斷方法的設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)[12]基于YJBK參數(shù)化設(shè)計(jì)了容錯(cuò)控制器。

本文基于上述工作的研究內(nèi)容，針對發(fā)生執(zhí)行器故障的飛行器系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于子控制器最優(yōu)組合的Youla參數(shù)化容錯(cuò)控制器。其中，針對作動器的故障信息，提出了一種新的故障重構(gòu)算法，并根據(jù)獲得的故障信息在線調(diào)整可重構(gòu)的故障參數(shù)化矩陣，進(jìn)而調(diào)整容錯(cuò)控制器[13]。本文提出的容錯(cuò)控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）直接根據(jù)故障觀測器的觀測器增益來獲得標(biāo)稱控制器；（2）子容錯(cuò)控制器的組合可以處理作動器損傷造成的故障；（3）Youla參數(shù)化故障重構(gòu)容錯(cuò)控制器只需要調(diào)整一個(gè)子傳遞函數(shù)，簡化了容錯(cuò)控制的在線調(diào)整策略。

1問題描述

3仿真

本節(jié)將子控制器最優(yōu)組合故障重構(gòu)容錯(cuò)控制器應(yīng)用在垂直升降（VTOL）飛行器模型上。

3.1垂直升降飛行器模型

當(dāng)VTOL飛行器在一定的載荷和風(fēng)速為135kn的條件下，其動態(tài)模型方程可以表示為

3.2仿真結(jié)果

在仿真過程中，高斯分布擾動信號d～N（0，0.1）加在垂直升降的線性飛行器模型上。圖4顯示的是在應(yīng)用本文提出的Youla參數(shù)化容錯(cuò)控制器情況下豎直方向速度跟蹤的效果，圖中與之進(jìn)行對比的是在只應(yīng)用標(biāo)稱控制器情況下的跟蹤曲線。從圖中可以明顯看出，本文提出的Youla參數(shù)化容錯(cuò)控制器具有很好的垂直速度跟蹤性能。

圖5描述的是作動器故障重構(gòu)曲線。在仿真過程中所設(shè)置的是在3s時(shí)刻，作動器f1= 0.52發(fā)生故障，作動器f2保持健康。從仿真曲線可以明顯地看出，被重構(gòu)的作動器故障可以很好地解耦未知輸入擾動，因而提出的故障重構(gòu)方法可以有效地估計(jì)發(fā)生的作動器故障。圖6描述的在有無故障發(fā)生的兩種情況下，控制輸入的變化曲線。在3s時(shí)刻，作動器f1發(fā)生故障，在本文提出的Youla參數(shù)化容錯(cuò)控制器作用下，控制輸入u1迅速變化來對這部分故障引起的影響進(jìn)行補(bǔ)償。圖7描述的是子容錯(cuò)控制器控制量的相應(yīng)結(jié)果。由于仿真過程只有作動器f1發(fā)生故障，則子容錯(cuò)控制器Kfβ起作用。相應(yīng)地，它對應(yīng)的輸出控制量q3增加。仿真曲線符合理論分析，因此很好地驗(yàn)證了可重構(gòu)故障參數(shù)化矩陣的有效性。

4結(jié)論

本文針對發(fā)生執(zhí)行器故障的飛行器提出了一種基于子控制器最優(yōu)組合的Youla參數(shù)化故障重構(gòu)容錯(cuò)控制器。仿真結(jié)果表明：（1）在發(fā)生作動器故障時(shí)，所提出的容錯(cuò)控制器能夠保證輸出跟蹤性能；（2）保證發(fā)生執(zhí)行器故障的垂直升降飛行器的穩(wěn)定性；（3）所提出的故障重構(gòu)算法能夠快速地對作動器故障進(jìn)行重構(gòu)。綜上，本文所提出的Youla參數(shù)化容錯(cuò)控制器能夠有效地鎮(zhèn)定發(fā)生執(zhí)行器故障的飛行器，有效地保證飛行器飛行的可靠性。

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Youla Parameterized Fault-Tolerant Controller Design Based on Optimal Combination of Sub-Controllers

Jin Nan1，Wang Song2，Cui Lei1，Yang Hongjiu1

1. Tianjin University，Tianjin 300072，China

2. Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Abstract： This paper proposes a Youla parameterized fault-tolerant controller based on the optimal combination of sub-controllers for aircraft with actuator failure. This scheme designs the nominal controller based on Youla’s parameterization theory， proposes a new fault reconstruction algorithm to provide actuator fault information， and presents a reconfigurable sub-controller optimal combination parameterization matrix. The parameterization matrix adjusts the designed fault-tolerant controller. The simulation results show that the designed fault-tolerant controller can effectively stabilize the malfunctioning aircraft， thereby ensuring the safety and reliability of flight.

Key Words： actuator failure； aircraft； Youla parameterization； fault-tolerant control； fault reconstruction