高超声速飞行器再入容错制导技术综述

对高超声速飞行器研制过程中最为关键的技术之一——再入容错制导技术进行了综述。回顾了高超声速飞行器容错制导研究概况;针对高超声速飞行器产生执行器、传感器、结构等故障引起气动参数在内的系统各项参数发生变化,已有的再入制导轨迹已经不能满足制导要求的问题,进行再入容错制导方法研究,找到故障情况下最优再入轨迹;介绍了几种再入容错制导方法,并对未来技术的发展进行了展望。     

基于NFTET的高超声速飞行器再入容错制导

针对以X-33为对象的三自由度高超声速飞行器,采用相邻可行轨迹存在定理(NFTET)设计了容错制导律以解决再入段执行器发生故障的轨迹重构问题。在标称情况下采用预测校正算法生成满足再入过程约束和终端约束要求的再入轨迹;当执行器发生故障时,飞行器气动参数、结构和舵面力矩都可能发生不可预测的变化,原先的轨迹不再满足制导要求,因此需要设计新型容错制导律。针对实际再入制导模型,基于NFTET设计容错制导算法对轨迹进行重构,得到满足故障情况下制导任务的可行轨迹。从仿真结果中可以看出,容错制导算法生成的新轨迹重新回到了约束范围之内,轨迹呈收敛趋势,使得高超声速飞行器从故障恢复到正常飞行状态,提高了飞行器的自主容错能力。     

高超声速飞行器非线性控制研究

针对高超声速飞行器非线性控制研究问题,介绍了在控制器设计中的特点及难点;阐述了在现有文献中关 于高超声速飞行器非线性控制相关研究工作,并分别从变结构控制方法、鲁棒自适应控制方法、结合智能控制方法 以及观测器在控制器设计中的应用等方面进行了分析;最后,结合高超声速飞行器自身特点,指出了高超声速飞行 器非线性控制领域的研究热点和发展趋势。     

含控制分配的六旋翼无人机模型参考容错控制

针对六旋翼无人机动力系统执行器故障问题,设计了一种基于模型参考滑模与动态控制分配相结合的容错控制器。利用线性二次调节方法设计参考模型,依据状态误差给出干扰存在下模型参考滑模的基本控制律。在此基础上,采用观测器将执行器发生卡死或失效的故障重构,利用故障信息结合控制分配策略,在线调整控制分配矩阵,减少故障执行器的使用率,实现容错控制目的。仿真结果表明,该控制策略能有效降低故障执行器对飞行姿态和轨迹的影响。     

基于反步法的航天器有限时间姿态跟踪容错控制

针对存在外部干扰、控制饱和以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,提出了基于反步法的有限时间控制方案。通过引入一类新型的具有有限时间收敛特性的积分式滑模面,设计了满足多约束的有限时间容错姿态跟踪控制器,并利用参数自适应方法使控制器设计不依赖于系统惯量信息和外部干扰的界。该容错控制方案的设计无需在线故障信息检测、分离甚至控制器重构,并显式地考虑了执行器输出的饱和幅值要求。稳定性分析表明:在控制饱和甚至执行器故障等多约束的条件下,本文所设计的控制器不仅保证了姿态跟踪的有限时间收敛性,且对于执行器故障具有优越的容错能力;数值仿真分析进一步验证了该控制器的控制性能,以及对外部干扰和系统不确定性的鲁棒性。     

应用保护映射理论的高超声速飞行器自适应控制律设计

针对高超声速飞行器包线范围广、参数变化大的控制需求,应用保护映射理论提出一种高超声速飞行器的自适应控制律设计方法。首先建立整个飞行包线内的线性变参数(LPV)模型,在参数变化边界点设计一个初始的控制结构和参数,然后基于保护映射理论分析初始控制结构使闭环系统稳定的参数范围,通过迭代自动获取整个包线内满足性能指标的控制参数,进而通过多项式拟合设计出高超声速飞行器自适应控制律。所提出的方法能够根据初始控制结构自动寻找一系列满足性能要求的控制器参数,并确定这些控制参数满足闭环系统稳定的设计范围。仿真结果表明,所设计的自适应控制律能够确保高超声速飞行器大包线的设计要求,实现闭环系统的鲁棒稳定。     

基于IMM算法的容错气动参数辨识

针对高超声速飞行器非线性模型气动参数在线辨识问题,将需要辨识的参数增广为状态,建立理论解析模型和实际飞行模型。利用交互多模型(IMM)算法在传统3-2-1-1激励输入条件下对增广"状态"进行跟踪,并将跟踪结果作为对参数的辨识结果。仿真结果表明,IMM算法可以在正常及舵面卡死条件下实现对高超声速气动参数的准确辨识,具有较好的容错性能,并能快速诊断出舵面故障。     

自适应滑模容错跟踪飞行控制律的设计

当飞行控制系统操纵面发生卡死或控制效率损伤故障时,采用自适应滑模控制方法进行容错跟踪飞行控制律的设计。采用单位向量法进行滑模控制器的设计,利用李雅普诺夫理论和Barbalat引理设计自适应滑模调节规律,同时能够保证闭环系统的渐近稳定性。利用某型飞机线性化模型进行仿真,结果表明,带有自适应调节规律的滑模控制方法不仅适合于正常情况下飞行控制律的设计,而且对操纵面损伤和卡死故障情况具有较强的适应能力,具有很好的跟踪控制效果和强鲁棒性。     

输入受限的吸气式高超声速飞行器自适应Terminal滑模控制

 针对吸气式高超声速飞行器的纵向运动模型,研究了输入受限时控制系统的设计问题,提出了一种内外环相结合的自适应Terminal滑模控制方法.以迎角和俯仰角速度作为内环控制对象,考虑到气动弹性模态和外部干扰,采用反步设计方法,设计出升降舵的自适应Terminal滑模控制律;以飞行速度作为外环控制对象,采用动态逆设计方法,设计出输入燃料当量比的动态逆自适应控制律,同时利用多层神经网络逼近控制律的饱和特性.基于Lyapunov稳定性理论,证明了采用此控制策略可以保证闭环控制系统的所有信号都是指数收敛至系统原点的一个有界邻域内,同时飞行器的气动弹性模态都是渐近稳定的.仿真结果表明,此控制策略能有效地处理吸气式高超声速飞行器在纵向运动过程中控制输入饱和受限的约束,在完成控制目标的同时,具有良好的过渡过程品质.     

执行器故障的挠性航天器姿态滑模容错控制

针对挠性航天器执行器卡死与失效故障的姿态稳定控制问题,提出一种改进型滑模容错控制策略.与传统的滑模控制相比,该方法能削弱传统滑模控制中抖振现象对姿态控制精度的影响,且它采用自适应技术在线估计系统中的不确定参数,从而保证控制性能对外部干扰、不确定甚至时变转动惯量具有良好的鲁棒性.该控制器并不需要任何在线或离线的故障信息,...     

Adaptive Integral-type Sliding Mode Control for Spacecraft Attitude Maneuvering Under Actuator Stuck Failures

A fault tolerant control (FTC) design technique against actuator stuck faults is investigated using integral-type sliding mode control (ISMC) with application to spacecraft attitude maneuvering control system. The principle of the proposed FTC scheme is to design an integral-type sliding mode attitude controller using on-line parameter adaptive updating law to compensate for the effects of stuck actuators. This adaptive law also provides both the estimates of the system parameters and external disturbances such that a prior knowledge of the spacecraft inertia or boundedness of disturbances is not required. Moreover, by including the integral feedback term, the designed controller can not only tolerate actuator stuck faults, but also compensate the disturbances with constant components. For the synthesis of controller, the fault time, patterns and values are unknown in advance, as motivated from a practical spacecraft control application. Complete stability and performance analysis are presented and illustrative simulation results of application to a spacecraft show that high precise attitude control with zero steady-error is successfully achieved using various scenarios of stuck failures in actuators.     

A fault-tolerant neural aided controller for aircraft auto-landing

This paper presents a neural-aided controller that enhances the fault tolerant capabilities of a high performance fighter aircraft during the landing phase when subjected to severe winds and failures such as stuck control surfaces. The controller architecture uses a neural controller aiding an existing conventional controller. The neural controller uses a feedback error learning mechanism and employs a dynamic Radial Basis Function neural network called Extended Minimal Resource Allocating Network (EMRAN), which uses only on-line learning and does not need a priori training. The conventional controller is designed using a classical design approach to achieve the desired autonomous landing profile with tight touchdown dispersions called herein as the pillbox. This design is carried out for no failure conditions but with the aircraft being subjected to winds. The failure scenarios considered in this study are: (i) Single faults of either aileron or elevator stuck at certain deflections, and (ii) double fault cases where both the aileron and elevator are stuck at different deflections. Simulation studies indicate that the designed conventional controller has only a limited failure handling ability. However, neural controller augmentation considerably improves the ability to handle large faults and meet the strict touchdown dispersion requirements, thus enlarging the fault-tolerance envelope.     

Robust adaptive fault-tolerant control of a tandem coaxial ducted fan aircraft with actuator saturation

This paper is concerned with the robust adaptive fault-tolerant control of a tandem coaxial ducted fan aircraft under system uncertainty, mismatched disturbance, and actuator saturation. For the proposed aircraft, comprehensive controllability analysis is performed to evaluate the controllability of each state as well as the margin to reject mismatched disturbance without any knowledge of the controller. Mismatched disturbance attenuation is ensured through a structured H-infinity controller tuned by a non-smooth optimization algorithm. Embedded with the H-infinity controller, an adaptive control law is proposed in order to mitigate matched system uncertainty and actuator fault. Input saturation is also considered by the modified reference model. Numerical simulation of the novel ducted fan aircraft is provided to illustrate the effectiveness of the proposed method. The simulation results reveal that the proposed adaptive controller achieves better transient response and more robust performance than classic Model Reference Adaptive Control (MRAC) method, even with serious actuator saturation.     

航天器有限时间自适应姿态跟踪容错控制

非刚体航天器存在时变的惯量、执行器完全失效或衰退故障以及外界干扰的情况,提出一种有限时间自适应姿态跟踪容错控制方法。首先,基于有限时间理论和自适应方法,设计惯量不确定性自适应估计项和外界干扰参数自适应估计项进行系统补偿,克服惯量不确定性和抑制外界干扰;然后,基于容错控制和双幂次方法,设计一种自适应有限时间姿态跟踪容错控制算法,并且利用Lyapunov稳定性理论证明所提算法能够保证航天器姿态跟踪系统实际有限时间稳定;最后,对仿真结果进行验证。结果表明:所提有限时间姿态跟踪容错控制方法是有效的。     

SE(3)上航天器姿轨耦合固定时间容错控制

针对相对运动航天器姿轨一体化控制问题,考虑执行器故障和控制输入饱和的影响,提出了一种基于滑模的模糊自适应固定时间容错控制方法。首先,在李群SE（3）的框架下建立并推导相对运动航天器姿轨一体化误差动力学模型;其次,引入执行器故障和控制输入饱和的问题,采用双幂次快速终端滑模面,并结合模糊自适应方法设计了固定时间稳定的容错控制器,可以实现执行器故障情况下相对运动航天器的高精度快速跟踪控制;然后,运用Lyapunov方法证明了系统的稳定性,该控制器不仅能不依赖于系统的初始状态实现滑模趋近和到达阶段的固定时间稳定性,而且由于采用模糊逼近方法结合自适应更新策略可以实时高精度地估计系统的总扰动信息,因此可以达到快速高精度的容错控制目标;最后,对所提出的的控制方法进行数值仿真分析,结果验证了该方法的有效性和可行性。     

航空发动机主供油计量活门故障主动容错控制器设计

针对航空发动机主供油计量活门执行机构发生故障时,系统的输出将会发生跳变,不能很好地跟踪系统期望输出的现象,采用模型参考自适应方法设计了主动容错控制器来解决这一问题.首先针对执行机构故障问题进行了数学描述.其次,选取系统的标称模型为参考模型,以输出误差最小化为优化目标,基于李雅普诺夫稳定性原理,寻找合适的自适应调节律,设计了自适应容错控制器.最后,针对发动机某一工况点进行了不同故障情况下的数值仿真.仿真结果表明:在主供油计量活门发生跳变故障和卡死故障时,自适应容错控制器可以通过参数自动调节,使得系统的输出能够很好地跟踪模型的输出,跟踪误差最终逼近于零.      

航空发动机燃油系统执行机构及其传感器故障诊断

提出了基于执行机构模型和航空发动机逆模型的执行机构及其传感器单一故障诊断和定位方法.基于执行机构小闭环结构建立了3阶执行机构传递函数模型.基于两个并联的BP(back propagation)神经网络,建立了航空发动机稳态逆模块和动态补偿模块,形成航空发动机逆模型,以实现基于航空发动机输出的燃油流量估计.以执行机构模型输出和传感器输出之间的偏差为依据进行故障判别,以航空发动机逆模型输出和传感器输出偏差为依据对故障进行定位.以某型航空发动机及其燃油系统执行机构模型为对象进行的仿真,结果表明,该诊断系统可在航空发动机稳态、动态情况下准确地诊断出幅值在1.6%以上的执行机构及其传感器故障并进行定位,验证了所提出故障诊断方法的有效性.      

Robust fault-tolerant control for wing flutter under actuator failure

Many control laws, such as optimal controller and classical controller, have seen their applications to suppressing the aeroelastic vibrations of the aeroelastic system. However, those control laws may not work effectively if the aeroelastic system involves actuator faults. In the current study for wing flutter of reentry vehicle, the effect of actuator faults on wing flutter system is rarely considered and few of the fault-tolerant control problems are taken into account. In this paper, we use the radial basis function neural network and the finite-time H_∞ adaptive fault-tolerant control technique to deal with the flutter problem of wings, which is affected by actuator faults, actuator saturation, parameter uncertainties and external disturbances. The theory of this article includes the modeling of wing flutter and fault-tolerant controller design. The stability of the finite-time adaptive fault-tolerant controller is theoretically proved. Simulation results indicate that the designed fault-tolerant flutter controller can effectively deal with the faults in the flutter system and can promptly suppress the wing flutter as well.