高超声速飞行器舵面故障的模型预测容错控制研究

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870318-SX145学科分类号：081101硕士学位论文高超声速飞行器舵面故障的模型预测容错控制研究研究生姓名汤婷婷学科、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齐瑞云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NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonmodelpredictivefault-tolerantcontroltechno

2、logyforhypersonicvehiclesunderactuatorfailuresAThesisinControlTheoryandControlEngineeringbyTingtingTangAdvisedbyProf.RuiyunQiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,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

3、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是一种具有广阔发展前景的高速飞行器，飞行器的特点即决定了其控制系统需要具有较高的安全性和可靠性。作为飞行器重要的执行机构，舵面对于系统的稳定性影响较大。本文针对具有控制输入约束的高超声速飞行器，考虑飞行器的舵面发生故障的情况，设计基于

4、模型预测控制的容错控制器，在实现对期望指令的跟踪控制的同时，确保飞行器的安全稳定飞行。首先，阐述了课题研究的背景及意义，并系统地介绍了高超声速飞行器在国内外的研究进展。之后，分别针对高超声速飞行器的纵向控制研究现状、模型预测控制的研究现状、高超声速飞行器舵面故障的研究现状等方面进行了阐述。其次，针对高超声速飞行器纵向巡航段模型，考虑系统具有控制输入约束的限制，基于广义模型预测控制的方法为两个子系统分别设计控制器。针对舵面发生故障的情况，为高度子系统设计了自适应广义模型预测容错控制器，实现了舵面故障下的容错跟踪控制。通过大量的仿真研究总结出在典型飞行条件下的控制

5、器参数的选择范围，以确保控制器的输出满足系统控制输入约束的条件，从而弥补了广义模型预测控制方法对于解决控制输入约束问题的不足。再次，在前面研究的基础上，针对具有输入约束的高超声速飞行器纵向多输入多输出非线性模型，考虑系统参数不确定性和舵面发生未知故障的情况，设计自适应广义模型预测容错控制器。在第三章所提出的解决控制输入约束问题的方案的基础上，针对具有控制输入约束的高超声速飞行器多输入多输出非线性系统，讨论了系统参数存在不确定时控制器参数如何选择的问题。此外，探究了舵面故障下该容错控制器的容错控制能力。最后，针对高超声速飞行器纵向巡航段非线性模型，考虑舵面发生故

6、障的情况，设计基于多模型预测控制的容错控制器。首先，基于间隙度量的理论建立高超声速飞行器纵向故障离散线性模型集，之后针对每一个子模型建立约束模型预测容错控制器，通过切换调度选择子控制器，从而分步实现故障下对期望指令的跟踪控制。关键词：高超声速飞行器，模型预测控制，舵面故障，容错控制I高超声速飞行器舵面故障的模型预测容错控制研究AbstractHypersonicvehicleisakindofhigh-speed,high-precisionaircraftwithbroaddevelopmentprospects.Astheimportantactuator

7、ofthehypersonicvehicle,thesurfaceshavegreatinfluenceonthestabilityofthesystem.Inthispaper,themodelpredictivecontrol-basedfaulttolerantcontrollersareproposedforthelongitudinaldynamicsofhypersonicvehiclewithinputconstraintsandcontrolsurfacefaults.Thecontrollersensurethestabilityofthec

8、ontrolsystemwhiletr