高超聲速飛行器的故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)研究.pdf

1、高超聲速技術(shù)是21世紀(jì)航空航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是當(dāng)今世界各軍事強(qiáng)國(guó)競(jìng)相關(guān)注的戰(zhàn)略發(fā)展方向。在以研制高超聲速飛行器為主要目標(biāo)的先期技術(shù)開(kāi)發(fā)階段，由于存在技術(shù)跨度大、技術(shù)成熟度不高等問(wèn)題，各國(guó)研制的高超聲速驗(yàn)證飛行器事故頻發(fā)。如何提升高超聲速飛行器飛行控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，降低其全生命周期成本，成為了控制科學(xué)與工程學(xué)科當(dāng)前面臨的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的前沿問(wèn)題。圍繞這個(gè)問(wèn)題，本文以高超聲速飛行器的故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)研究為主題，在高超聲速飛行

2、器面向控制的建模與分析、基于觀測(cè)器的故障診斷、重置切換容錯(cuò)控制、切換控制重構(gòu)，以及飽和容錯(cuò)控制等方面開(kāi)展了較為深入的研究。
　　首先，由于高超聲速飛行器具有合理精度的、面向控制的解析數(shù)學(xué)模型難以獲取，根據(jù)國(guó)內(nèi)外已公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)資料建立并分析了某型具有乘波體構(gòu)型，裝配超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的高超聲速飛行器的機(jī)體-推進(jìn)系統(tǒng)一體化模型。接著，考慮到高超聲速飛行器的部分狀態(tài)變量無(wú)法用現(xiàn)有的傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，先后研究了基于重置比例-積分殘差產(chǎn)生

3、器和自適應(yīng)滑模故障觀測(cè)器的狀態(tài)估計(jì)與故障重構(gòu)方法，并對(duì)兩類觀測(cè)器的求解約束條件及性能進(jìn)行了對(duì)比分析。隨后，針對(duì)時(shí)變故障下的高超聲速飛行器多模型描述，研究了具有重置動(dòng)態(tài)的線性變參數(shù)切換容錯(cuò)控制方法。然后，為了彌補(bǔ)切換容錯(cuò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制器切換容易造成嚴(yán)重的瞬態(tài)跳變的缺點(diǎn)，提出了一種基于虛擬作動(dòng)器的切換控制重構(gòu)方法。最后，針對(duì)高超聲速飛行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障容易引起控制輸入飽和的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于滑模觀測(cè)器的魯棒非線性飽和控制律，提出了多

4、輸入多輸出重置控制系統(tǒng)的一種抗飽和補(bǔ)償器設(shè)計(jì)方法，并且研究了虛擬作動(dòng)器的多目標(biāo)優(yōu)化方法。
　　本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
　　(1)在單個(gè)觀測(cè)器僅檢測(cè)單個(gè)高超聲速飛行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的框架下，提出了一種預(yù)置重置邏輯的比例-積分殘差產(chǎn)生器。該方法將未知輸入比例-積分觀測(cè)器理論與重置控制理論相結(jié)合，保證了故障估計(jì)信號(hào)與外界擾動(dòng)完全解耦，提高了線性比例-積分殘差產(chǎn)生器的故障跟蹤性能，同時(shí)改善了觀測(cè)誤差系統(tǒng)對(duì)量測(cè)噪聲的魯棒性。
　　

5、(2)在單個(gè)觀測(cè)器檢測(cè)多個(gè)高超聲速飛行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的框架下，針對(duì)故障診斷單元對(duì)模型不確定性的魯棒性和對(duì)故障的適應(yīng)性要求，提出了一種自適應(yīng)滑模故障觀測(cè)器來(lái)重構(gòu)系統(tǒng)故障：通過(guò)設(shè)計(jì)自適應(yīng)律，解決了故障上界和不確定性上界未知的問(wèn)題；通過(guò)放寬Lyapunov矩陣的結(jié)構(gòu)限制，減小了經(jīng)典的滑模觀測(cè)器參數(shù)綜合方法的保守性；利用連續(xù)函數(shù)逼近，減緩了滑模面上的抖振。
　　(3)針對(duì)高超聲速飛行器的容錯(cuò)控制系統(tǒng)對(duì)指令跟蹤性能的高要求，提出了一種適用于

6、多輸入多輸出高超聲速飛行器飛行控制系統(tǒng)的魯棒重置控制器及其單步參數(shù)綜合方法來(lái)處理線性魯棒容錯(cuò)子控制器固有的波特增益-相角約束。該方法將多輸入多輸出系統(tǒng)的重置邏輯視為待優(yōu)化的未知參數(shù)，并通過(guò)構(gòu)造線性矩陣不等式凸優(yōu)化問(wèn)題，將其與控制器參數(shù)同步解出，既解決了該多輸入多輸出重置控制器的重置邏輯設(shè)計(jì)問(wèn)題，又減小了分步綜合方法的保守性。
　　(4)針對(duì)控制器整體切換會(huì)導(dǎo)致高超聲速飛行器飛行控制系統(tǒng)的復(fù)雜度過(guò)大，設(shè)計(jì)成本過(guò)高等問(wèn)題，提出了一種基

7、于虛擬作動(dòng)器的切換控制重構(gòu)系統(tǒng)框架。首先，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的虛擬作動(dòng)器以同時(shí)處理傳感器故障與執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障；然后，推導(dǎo)分析了穩(wěn)定與最優(yōu)軌跡恢復(fù)性能指標(biāo)和?2性能指標(biāo)之間的關(guān)系，給出了基于擴(kuò)展線性矩陣不等式的最優(yōu)虛擬作動(dòng)器綜合方法；最后，提出了虛擬作動(dòng)器切換的Youla參數(shù)化方法，以保證整個(gè)系統(tǒng)對(duì)任意故障/虛擬作動(dòng)器切換的穩(wěn)定性。
　　(5)針對(duì)嚴(yán)重執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障容易導(dǎo)致控制輸入飽和的問(wèn)題，提出了一種重置容錯(cuò)子系統(tǒng)的抗飽和補(bǔ)償器綜合方法。