高超声速飞行器舵面故障的容错控制技术研究

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870315-S140学科分类号：081101硕士学位论文高超声速飞行器舵面故障的容错控制技术研究研究生姓名何晶晶学科、专业控制理论与控制工程研究方向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一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonfault-tolerantcontroltechnologyforhypersonicvehiclesunderactuato

2、rfailuresAThesisinControlTheoryandControlEngineeringbyHeJingjingAdvisedbyProf.QiRuiyunSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015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

3、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：摘要本文以高超声速飞行器为研究对象，考虑舵面发生故障的情况，进行巡航纵向容错控制研究和再入姿态容错控制研究。首先，介绍了高超声速飞行器以及再入段的特点，综述了课题的背景和研究意义。简要概述了高超声速飞行器控制技术和执行器故障容错控制技术研究现状。其次，针对高超声速飞行器的纵向模型，考虑舵面故障和系统存在未知参数的情况，设计基于反馈线性化技术的自适应容错控制器。通过对系统输出进行多次求导，得到系统相对阶。然后采用

4、反馈线性化的方法设计标称控制器，使得高度输出能够跟踪参考指令。当舵面发生故障时，在标称控制器的基础上设计容错控制策略，并给出了容错控制器参数的匹配条件。当模型参数和舵面故障信息都未知时，利用Lyapunov稳定性定理来设计参数自适应律，在线更新容错控制器的参数。再次，在实际飞行过程中，速度V、高度h和俯仰角速率q是可以测量到的。而由于攻角α和飞行航迹角γ的值比较小，一般是很难测量到的。因此，在状态反馈控制器的基础上，采用高增益观测器技术来实现输出反馈控制器设计。最后，针对高超声速飞行器再入姿态模型，研究舵面故障时的再入姿态容错控制。根据高超声速飞行器再入初期的特点，通常需要反作用控制系统

5、（RCS）来协助气动舵面完成姿态控制。首先，针对高超声速飞行器再入姿态模型，采用Backstepping方法获得期望力矩。然后将气动舵面看作首要执行机构，将期望的力矩在气动舵面之间进行控制分配。如果气动舵面不能达到期望力矩，则开启RCS。由RCS来提供气动舵面不能提供的这部分力矩。当舵面发生故障时，针对执行器动态设计观测器，估计出故障信息。根据估计得到的故障信息，设计基于控制分配算法的容错控制策略，使得系统在故障情况下仍旧保持稳定并恢复追踪性能。关键词：高超声速飞行器，舵面故障，容错控制，反馈线性化，输出反馈，控制分配，RCSIAbstractThispaperaddressesthef

6、aulttolerantcontroltechniquesforlongitudinaldynamicsandattitudemodelofhypersonicvehiclesinthepresenceofactuatorfailures.Firstly,theknowledgeabouthypersonicvehiclesandthefeaturesofreentrymodeareintroduced.Andthebackgroundandthesignificanceoftheresearcharesummarized.Furthermore,weoverviewthestate-o

7、f-the-artoffault-tolerantcontrolforhypersonicvehiclessubjecttoactuatorfailures.Secondly,anadaptivefault-tolerantcontrollerbasedonfeedbacklinearizationisdevelopedforthelongitudinaldynamicsofhypersonicflightvehiclesinthe