梁宽宽等：基于自适应滑模的多螺旋桨浮空器容错控制 379· 25 6 1.5 (a) (b) 1.0 15 0.5 Fault 3 10 0 -Target trajectory 一Target height -0.5---ASMFTC ---ASMFTC ==·ASMFTC ---TSMC ■■，TSMC 0 ---TSMC -Target yaw angle 10 -1.0 15 20 25 30 0 102030 40 0 10203040 m tis 小 图8浮空器水平面轨迹比较 图9轨迹跟踪状态响应比较.(a)高度方向跟踪响应：(b)偏航角跟 Fig.Horizontal trajectory tracking compare of airship 踪响应 效故障无容错能力，因此跟踪误差较大，无法到达 Fig.9 Comparison of the trajectory tracking response:(a)hight tracking response;(b)yaw angle tracking response 目标点；而本文方法能够实现跟踪误差趋于零，控 制浮空器到达目标点 制，本文方法能够实现故障容错控制，并具有较强 浮空器在高度方向和偏航角方向的运动轨迹 的鲁棒性 如图9所示，故障发生前，两种方法跟踪性能均表 图10显示了在故障和外部扰动条件下，自适 现较好，故障发生后，本文的方法明显比传统滑模 应滑模容错控制(ASMFTC)方法，4个矢量螺旋桨 控制器更好地跟踪目标轨迹.由此可知，传统滑模 实际推力和实际转角的时间响应曲线.由于1号 控制器不能实现对矢量螺旋桨复杂故障的容错控 螺旋桨完全失效，其实际输出力和转角均为零，而 150 150 (a) (b) (e) 100 100 2 50 50 0 102030 40 1020 30 20 30 102030 s t/s 150 150 (c) (d) 100 100 0 50 -2 0 102030 40 0 102030 40 10203040 10 20 30 40 s tis t/s s 图10自适应滑模容错控制螺旋桨响应.(a-d)螺旋桨推力变化：(eh)螺旋桨转角变化 Fig.10 Response of propellers under the ASMFTC:(a-d)propellers'forces change;(e-h)propellers'angles change 螺旋桨2和螺旋桨4发生较小偏移故障，从螺旋 考虑未知外部扰动和螺旋桨输入幅值饱和约束， 桨4的转角变化图中可以看出较小偏移 基于滑模控制技术，本文设计了一种自适应滑模 综合仿真结果，本文提出的自适应滑模容错 容错控制器.通过仿真将该控制器与传统的滑模 控制方法能较好地实现矢量螺旋桨故障容错能 控制器进行对比，结果显示在矢量螺旋桨发生多 力，而传统滑模控制器对多螺旋桨浮空器没有容 种故障工况条件下，本文的自适应滑模容错控制 错控制能力 器具有较好的容错控制能力，而传统滑模控制器 不能实现闭环系统稳定，由此验证了所设计的自 4结论 适应滑模容错控制器的有效性和鲁棒性.根据控 本文首次分析了矢量螺旋桨的故障类型并建 制器设计过程.本文提出的容错控制器同样适用 立了多螺旋桨浮空器执行器故障模型.针对多螺 于系统存在执行器冗余的其他对象，例如飞行器、 旋桨执行器发生多种故障的容错控制问题，同时 潜水器等.论文进一步的研究工作将考虑系统内效故障无容错能力，因此跟踪误差较大，无法到达 目标点；而本文方法能够实现跟踪误差趋于零，控 制浮空器到达目标点. 浮空器在高度方向和偏航角方向的运动轨迹 如图 9 所示，故障发生前，两种方法跟踪性能均表 现较好，故障发生后，本文的方法明显比传统滑模 控制器更好地跟踪目标轨迹. 由此可知，传统滑模 控制器不能实现对矢量螺旋桨复杂故障的容错控 制，本文方法能够实现故障容错控制，并具有较强 的鲁棒性. 图 10 显示了在故障和外部扰动条件下，自适 应滑模容错控制（ASMFTC）方法，4 个矢量螺旋桨 实际推力和实际转角的时间响应曲线. 由于 1 号 螺旋桨完全失效，其实际输出力和转角均为零，而 螺旋桨 2 和螺旋桨 4 发生较小偏移故障，从螺旋 桨 4 的转角变化图中可以看出较小偏移. 综合仿真结果，本文提出的自适应滑模容错 控制方法能较好地实现矢量螺旋桨故障容错能 力，而传统滑模控制器对多螺旋桨浮空器没有容 错控制能力. 4    结论 本文首次分析了矢量螺旋桨的故障类型并建 立了多螺旋桨浮空器执行器故障模型. 针对多螺 旋桨执行器发生多种故障的容错控制问题，同时 考虑未知外部扰动和螺旋桨输入幅值饱和约束， 基于滑模控制技术，本文设计了一种自适应滑模 容错控制器. 通过仿真将该控制器与传统的滑模 控制器进行对比，结果显示在矢量螺旋桨发生多 种故障工况条件下，本文的自适应滑模容错控制 器具有较好的容错控制能力，而传统滑模控制器 不能实现闭环系统稳定，由此验证了所设计的自 适应滑模容错控制器的有效性和鲁棒性. 根据控 制器设计过程，本文提出的容错控制器同样适用 于系统存在执行器冗余的其他对象，例如飞行器、 潜水器等. 论文进一步的研究工作将考虑系统内 25 20 15 10 5 y/m x/m 0 0 5 10 15 30 20 25 Target trajectory ASMFTC TSMC 图 8    浮空器水平面轨迹比较 Fig.8    Horizontal trajectory tracking compare of airship (a) (b) z/m Ψ/rad 6 1.5 1.0 0.5 0 −0.5 −1.0 Fault Target yaw angle ASMFTC TSMC 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 t/s 0 10 20 30 40 t/s Target height ASMFTC TSMC 图 9    轨迹跟踪状态响应比较. （a）高度方向跟踪响应；（b）偏航角跟 踪响应 Fig.9    Comparison of the trajectory tracking response: (a) hight tracking response; (b) yaw angle tracking response (a) (c) (b) (d) (e) (g) (f) (h) f1/N f3/N f4/N f2/N 150 100 50 0 μ1/rad μ3/rad μ2/rad μ4/rad 4 2 0 −4 −2 2 1 0 −2 −1 0 10 20 30 40 t/s 150 100 50 0 0 10 20 30 40 t/s 0 10 20 30 40 t/s 0 10 20 30 40 t/s 150 100 50 0 4 2 0 −4 −2 4 2 0 −2 0 10 20 30 40 t/s 150 100 50 0 0 10 20 30 40 t/s 0 10 20 30 40 t/s 0 10 20 30 40 t/s 图 10    自适应滑模容错控制螺旋桨响应. （a~d）螺旋桨推力变化；（e~h）螺旋桨转角变化 Fig.10    Response of propellers under the ASMFTC: (a‒d) propellers’ forces change; (e‒h) propellers’ angles change 梁宽宽等： 基于自适应滑模的多螺旋桨浮空器容错控制 · 379 ·