一种针对结构损伤的非线性容错飞行控制方法

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1、航空学报，、ctaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb252016VoI．37No．2637．647ISSN1000．6893CN11-1929／VhItp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn一种针对结构损伤的非线性容错飞行控制方法王乾*，李清，程农，宋靖雁清华大学自动化系，北京100084摘要：飞机结构损伤会引起气动参数变化，进而影响系统的静稳定性和控制精度。针对具有多输入的非线性飞机模型，利用带有二阶命令滤波器的自适应反步控制方法在线估计飞机气动参数，补偿结构损

2、伤导致的气动参数变化对控制系统的影响，以实现容错飞行控制功能；引入的命令滤波器可以避免反步控制中复杂的求导运算。从理论上分析证明了带有二阶命令滤波器的自适应反步控制的闭环系统稳定性，并给出了控制跟踪误差的理论上界和二阶命令滤波器频率参数选取的下界。通过一个大型客机垂直尾翼脱落场景的仿真实验，验证了所提容错控制方法的有效性。关键词：结构损伤；容错飞行控制；命令滤波器；自适应反步控制；非线性控制中图分类号：V212．12；TP273文献标识码：A文章编号：1000一6893(2016)02一0637—11随着对飞行安全需求的不断提高

3、，容错飞行控制受到了广泛关注。针对作动器或控制舵面破损、卡死和松浮等故障的诊断和容错控制方法的研究已经取得了大量成果[1。9]。滑模控制[1‘3]、反步控制[4]、自适应变结构控制[5]、预测控制[61和控制分配[3’7‘胡等方法可以很好地解决作动器故障条件下的容错控制问题，但这些研究大多假设作动器故障不影响气动参数或被控对象的静稳定性。文献[10]通过风洞试验研究了飞机结构损伤对气动参数的影响，研究结果表明结构损伤可能会减弱飞机的静稳定性。多起航空事故都因结构损伤而最终导致飞机失控[11

4、，而在战场环境下敌方攻击导致的结构损伤

5、更是常常难以避免。设计能够适应结构损伤的容错控制器可以大大提高飞机的生存能力。但就目前来看，针对结构损伤的容错控制方法的研究还相对较少。文献[12]使用自适应滑模控制解决了大型客机垂直尾翼缺损条件下的控制稳定问题，分析比较了不同损伤程度条件下的控制响应性能。文献[13]采用鲁棒控制的方法，通过线性矩阵不等式优化方法求解出了可使系统稳定的垂直尾翼缺损程度最大的增益矩阵，并使优化结果满足闭环极点配置约束。文献[14]使用状态反馈模型并参考自适应方法对结构损伤导致的气动参数变化和不确定性进行了补偿，使系统在损伤故障发生后，仍然能够跟踪

6、期望的响应。这些方法在针对飞机结构损伤故障的容错控制方面具有良好的效果，但都是基于线性化模型进行控制器设计的。线性化模型参数与物理模型中的气动参数并不直接对应，且需要根据不同工作点的线性化模型进行多次设计，因此需要针对非线性模型的容错控制设计方法。文献[15]将径向基函数神经网络与反步控制相结合，利用神经网络在线估计气动参数，以补偿气动参数变化的影响。这种方法在临近空间飞行器垂直安定面缺损条件下取得了良好的控制效果。但反步控制需要对中间控制变量进行求收稿日期：2015—02-27；退修日期：2015—04—05；录用日期：201

7、5-05-19；网络出版时间：2015．05．2714：02网络出版地址：www．cnki．net／kcms／deta¨／111929V20150527．1402001htmI基金项目：国家自然科学基金(61174168)；航空科学基金(20100758002，20128058006)*通讯作者．Tel．：010一62797972E-mail：inwq2sky@gma¨_com戮甩格武l王乾．李清。程农．等一种针对结构损伤的非线性容错飞行控翻方法[J]．航空学报．2016．37(2)：637-647．wANGQ．uQ．cHENG

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13、幽Image￡J]．AcfaAero憾ut{caelAs仃onaul．-casinica．2016．37(2)：637-647．航空学报导，应用于复杂的系统方程时，求导计算过程将非常繁琐。为解决该问题，可以引入命令滤波器，将反步控制中对中间控制变量的求导转化为求解命令滤波器的状态变量，以避免复杂的求导运算[16‘19

14、。文献[16—17]使用带有命令滤波器的自适应反步控制方法解决模型参数不确定条件下的飞行控制

15、问题，但对系统跟踪误差的收敛性和命令滤波器输出误差的有界性仅给出了定性的分析，并未给出严格的数学证明n引。文献[18]使用奇异摄动理论严格证明了带有命令滤波器的反步控制闭环系统的稳定性。文献[19]进一步从理论上证明了应用自适应方法的闭环系统的稳定性，但作者为降