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无人机姿态控制系统滑模动态面容错控制方法

翟丽相;钱默抒;刘剑慰

【摘要】针对存在外部扰动、模型不确定和执行器故障的无人机(UAV)姿态控制

系统,提出了无人机姿态控制系统滑模动态面容错控制方法.首先,给出一个非线性的

无人机姿态控制系统数学模型;然后,当无人机姿态控制系统出现执行器故障时,通过

滑模控制项来抑制干扰,使滑模观测器具有鲁棒性,并给出自适应故障估计值,实现干

扰与故障的解耦;最后,根据故障估计得出的信息,给出滑模动态面主动容错控制方法,

并利用Lyapunov理论证明系统的稳定性,保证系统在执行器故障下能够渐近跟踪

指令,使跟踪误差最终一致有界.利用仿真实例来验证所提容错控制律的有效性.%In

thispaper,afault-tolerantcontrolschemeofslidingmodedynamicsurface

isproposedforanattitudecontrolsystemofunmannedaerialvehicle

(UAV)withexternaldisturbanceandactuatorfault.Firstly,themathematical

modelofanonlinearattitudecontrolsystemforUAVis

presented.Secondly,whentheUAVattitudecontrolsystemappears

actuatorfailureanddisturbance,anadaptivefaultestimationisobtainedby

aslidingmodeobserver.Accordingtotheestimatedfaultinformation,a

dynamicsurfaceactivefault-tolerantcontrolschemeisproposed.Lastly,the

Lyapunovtheoryisusedtoprovethestabilityofthesystem,whichensures

thatthesystemwithactuatorfailurescanasymptoticallytrackthe

instructionandthetrackingerrorisultimatelyuniformlybounded.A

simulationexampleisgiventoverifytheeffectivenessoftheproposed

fault-tolerantcontrolscheme.

【期刊名称】《系统仿真技术》

【年(卷),期】2017(013)003

【总页数】6页(P246-251)

【关键词】无人机(UAV);故障估计;滑模控制;主动容错控制

【作者】翟丽相;钱默抒;刘剑慰

【作者单位】南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016;南京航空航天大学

机械结构力学与控制国家重点实验室,江苏南京210016;南京航空航天大学自动化

学院,江苏南京210016

【正文语种】中文

【中图分类】V249.12

对无人机而言,飞行姿态控制系统是其核心组成部分,飞行控制系统通常包括飞行控

制计算机、传感器和执行器等3个部分。假如把无人机飞行控制系统比作一个人,

其执行机构就好比手和脚,将控制作用落到实处。不难想象,当执行机构出现故障,不

能或者只能部分响应控制指令,就会使整个无人机陷入一个失控的状态,无法保障任

务的执行,因此执行器的容错控制显得尤为重要。容错控制主要分为被动容错控制

(PFTC)和主动容错控制(AFTC),本文采用的是主动容错控制。

目前,滑模变结构控制、神经网络自适应、鲁棒控制、backstepping控制以及反馈

线性化等方法在处理飞行控制系统故障时已取得了显著的效果,但都有一定的局限

性。文献[1-2]基于滑模控制的概念,设计出被动和主动容错控制律,但算法复杂。文

献[3]对具有参数不确定性和外部干扰的四旋翼无人机的姿态调节问题,提出了一种

新的自适应模糊增益调度滑模,同时对传统滑模控制做了改进,设计了模糊逻辑系统,

有效地消除了抖振现象,从而获得了良好的动态响应。文献[4-5]都针对系统出现的

模型不确定性、干扰和执行器故障,利用快速终端滑模实现系统在有限时间内的稳

定。文献[6]则主要