高超声速飞行器舵面故障估计与自愈合控制方法研究

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870318-SX148学科分类号：081101硕士学位论文高超声速飞行器舵面故障估计与自愈合控制方法研究研究生姓名胡龙泽学科、专业控制理论与控制工程研究方向故障诊断与容错控制指导教师陈复扬教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonAerodynamicSurfaceFa

2、ultestimationandSelf-HealingControlforHypersonicFlightVehiclesAThesisinControlTheoryandControlEngineeringbyLongzeHuAdvisedbyProf.FuyangChenSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及

3、取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要高超声速飞行器飞行过程中所处的高速、低压和强对流等环境可能会导致元部件发生外形变化和弹性颤振等情况，致使执行器发生一系列未知故障。而高超

4、声速飞行器造价昂贵等特点也意味着试飞失败会造成巨大的财产损失。因此故障下的自愈合控制便成为富有意义的课题。本文以高超声速飞行器为研究对象，研究了舵面发生角度偏移和增益损失时纵向模型及姿态模型的故障估计问题，并以估计结果为基础设计了相应的自愈合控制方法。论文主要内容如下：（1）针对高超声速飞行器升降舵发生角度偏移和增益损失故障情况，设计了二型模糊自适应估计观测器及自愈合控制器。首先基于区间二型模糊理论建立了高超声速飞行器巡航阶段的动态模糊模型。为提高故障估计的速度，针对二型模糊系统中的各子系统设计了自适应故障估计算法，并

5、通过线性矩阵不等式计算所需增益矩阵。利用模糊观测器得到的故障估计值设计了二型模糊控制器来补偿上述升降舵故障，使得飞行器在故障情况下能够快速恢复到稳定状态。（2）设计了多步骤迭代自适应故障估计方法，以减小外部强扰动对故障估计带来的影响，提高了故障估计的准确性。以巡航阶段的区间二型模糊模型为基础，增加外部扰动的作用项，使模型具有更强的代表性。并针对执行器未知加性故障和外部扰动，设计了二型模糊模型下的多步骤迭代自适应故障估计方法，将当前故障估计得到的信息用于后续估计，成功减少了外部扰动对故障估计环节带来的影响。（3）针对高超

6、声速飞行器姿态系统襟翼角度偏移故障，设计了基于非奇异终端滑模和动态面控制的自愈合方法。对于姿态角环，采用非奇异终端滑模技术来获得用以前馈给角速率环的虚拟控制输入量，并采用自适应动态面技术来获得故障估计信息以及使系统稳定所需的气动舵面偏转角。当气动舵面产生的力矩无法匹配期望力矩时，采用线性二次分配方法来驱动10个反作用喷气装置作为辅助控制系统来补充控制力矩，使得飞行器能够以期望姿态飞行。（4）针对襟翼故障及建模误差产生的影响，设计了基于区间二型模糊估计器和布谷鸟舵面分配算法的自愈合控制方案。采用二型模糊估计方法来对内环角

7、速率系统建模误差所引起的输入摄动与气动舵面的未知加性故障融合在一起进行估计，并结合线性二次规划与布谷鸟寻优算法来对控制力矩进行优化分配，提高气动舵面的利用效率，使得舵面产生的力矩尽量匹配期望控制力矩，在节省系统燃料的同时保证再入阶段系统的姿态角能够稳定跟踪给定姿态角指令。将上述故障估计与自愈合控制方法进行了对比性仿真研究，结果表明本文所提方案能够在精确获得故障信息的同时，对其进行有效补偿，从而保证系统的稳定性和跟踪性能。关键词：高超声速飞行器，故障估计，自愈合控制，滑模控制，动态面控制，布谷鸟搜索算法I高超声速飞行器舵

8、面故障估计与自愈合控制方法研究ABSTRACTWhenthehypersonicflightvehicleisflyinginthenearspace,severalphysicalcomponentssuchaselevatorsandruddersmaymalfunctionbecauseofthehighspeed,lowp