高超聲速飛行器的故障診斷與容錯控制技術研究.pdf

1、高超聲速技術是21世紀航空航天領域的研究熱點，是當今世界各軍事強國競相關注的戰(zhàn)略發(fā)展方向。在以研制高超聲速飛行器為主要目標的先期技術開發(fā)階段，由于存在技術跨度大、技術成熟度不高等問題，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，成為了控制科學與工程學科當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，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)學模型難以獲取，根據(jù)國內(nèi)外已公開發(fā)表的文獻資料建立并分析了某型具有乘波體構型，裝配超燃沖壓發(fā)動機的高超聲速飛行器的機體-推進系統(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)有的傳感器進行準確的測量，先后研究了基于重置比例-積分殘差產(chǎn)生

3、器和自適應滑模故障觀測器的狀態(tài)估計與故障重構方法，并對兩類觀測器的求解約束條件及性能進行了對比分析。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，為了彌補切換容錯控制系統(tǒng)結構復雜，控制器切換容易造成嚴重的瞬態(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方法。最后，針對高超聲速飛行器執(zhí)行機構故障容易引起控制輸入飽和的問題，設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)的一種抗飽和補償器設計方法，并且研究了虛擬作動器的多目標優(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)行機構故障的框架下，提出了一種預置重置邏輯的比例-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)行機構故障的框架下，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性要求，提出了一種自適應滑模故障觀測器來重構系統(tǒng)故障：通過設計自適應律，解決了故障上界和不確定性上界未知的問題；通過放寬Lyapunov矩陣的結構限制，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致高超聲速飛行器飛行控制系統(tǒng)的復雜度過大，設計成本過高等問題，提出了一種基

7、于虛擬作動器的切換控制重構系統(tǒng)框架。首先，設計了一種改進的虛擬作動器以同時處理傳感器故障與執(zhí)行機構故障；然后，推導分析了穩(wěn)定與最優(yōu)軌跡恢復性能指標和?2性能指標之間的關系，給出了基于擴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)針對嚴重執(zhí)行機構故障容易導致控制輸入飽和的問題，提出了一種重置容錯子系統(tǒng)的抗飽和補償器綜合方法。