高超聲速飛行器的故障診斷與容錯控制技術(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，是當(dāng)今世界各軍事強(qiáng)國競相關(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)開發(fā)階段，由于存在技術(shù)跨度大、技術(shù)成熟度不高等問題，各國研制的高超聲速驗證飛行器事故頻發(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)前面臨的一個具有挑戰(zhàn)性的前沿問題。圍繞這個問題，本文以高超聲速飛行器的故障診斷與容錯控制技術(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、基于觀測器的故障診斷、重置切換容錯控制、切換控制重構(gòu)，以及飽和容錯控制等方面開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)國內(nèi)外已公開發(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)變量無法用現(xiàn)有的傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，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)滑模故障觀測器的狀態(tài)估計與故障重構(gòu)方法，并對兩類觀測器的求解約束條件及性能進(jìn)行了對比分析。隨后，針對時變故障下的高超聲速飛行器多模型描述，研究了具有重置動態(tài)的線性變參數(shù)切換容錯控制方法。然后，為了彌補(bǔ)切換容錯控制系統(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，提出了一種基于虛擬作動器的切換控制重構(gòu)方法。最后，針對高超聲速飛行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障容易引起控制輸入飽和的問題，設(shè)計了一種基于滑模觀測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)計方法，并且研究了虛擬作動器的多目標(biāo)優(yōu)化方法。
　　本文的主要創(chuàng)新點如下：
　　(1)在單個觀測器僅檢測單個高超聲速飛行器執(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-積分觀測器理論與重置控制理論相結(jié)合，保證了故障估計信號與外界擾動完全解耦，提高了線性比例-積分殘差產(chǎn)生器的故障跟蹤性能，同時改善了觀測誤差系統(tǒng)對量測噪聲的魯棒性。
　　

5、(2)在單個觀測器檢測多個高超聲速飛行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的框架下，針對故障診斷單元對模型不確定性的魯棒性和對故障的適應(yīng)性要求，提出了一種自適應(yīng)滑模故障觀測器來重構(gòu)系統(tǒng)故障：通過設(shè)計自適應(yīng)律，解決了故障上界和不確定性上界未知的問題；通過放寬Lyapunov矩陣的結(jié)構(gòu)限制，減小了經(jīng)典的滑模觀測器參數(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)針對高超聲速飛行器的容錯控制系統(tǒng)對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)綜合方法來處理線性魯棒容錯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)，并通過構(gòu)造線性矩陣不等式凸優(yōu)化問題，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)計問題，又減小了分步綜合方法的保守性。
　　(4)針對控制器整體切換會導(dǎo)致高超聲速飛行器飛行控制系統(tǒng)的復(fù)雜度過大，設(shè)計成本過高等問題，提出了一種基

7、于虛擬作動器的切換控制重構(gòu)系統(tǒng)框架。首先，設(shè)計了一種改進(jìn)的虛擬作動器以同時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)虛擬作動器綜合方法；最后，提出了虛擬作動器切換的Youla參數(shù)化方法，以保證整個系統(tǒng)對任意故障/虛擬作動器切換的穩(wěn)定性。
　　(5)針對嚴(yán)重執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障容易導(dǎo)致控制輸入飽和的問題，提出了一種重置容錯子系統(tǒng)的抗飽和補(bǔ)償器綜合方法。