飞翼布局飞行器副翼性能及重构分析

针对飞翼布局飞行器副翼在偏转过程中引起的纵横航向运动耦合的问题,应用升降舵、副翼和阻力舵协调偏转的方法进行控制.为提高飞翼飞行器的生存性,对舵面故障时的重构方法进行了研究.升降舵故障时,直接应用伪逆法即可应用副翼完成重构;阻力舵故障时,为解决伪逆法带来的系统不稳定及重构后系统稳态精度差的问题,将一种基于劳斯稳定判据的、加入了比例-积分控制器的改进伪逆法引入重构.仿真结果表明:该方法在保证系统稳定的基础上能够使系统性能得到最大程度的恢复.     

基于自适应神经网络的飞行器主动容错控制

针对飞行器非线性系统执行器故障,利用RBF神经网络和自适应控制律,提出了基于自适应神经网络的故障重构和容错控制方法。设计了自适应神经网络观测器,利用神经网络逼近故障,引入调节因子,设计自适应律以在线调整神经网络权重向量和中心向量。构造自适应神经网络控制器,结合神经网络设计补偿控制输入。利用Lyapunov稳定性定理证明了所提方法可以实现系统渐近稳定。仿真实验结果验证了所提的方法对故障系统具有良好的观测性能、控制精度和响应速度。     

基于改进Terminal滑模的导弹大角度机动控制

针对空空导弹攻击载机尾后目标的大角度机动控制问题,提出一种基于复合滑模面与扰动抑制机制的非奇异Terminal滑模(NTSM)控制器设计方法。首先建立了包含有气动不确定性的直接力控制系统(RCS)空空导弹数学模型,并采用传统NTSM控制方法设计了导弹姿态控制律。然后,在此基础上,针对大角度机动时初始状态远离平衡点的问题,设计了一种复合滑模面以加快系统收敛速度。为解决大攻角下的气动不确定性导致的严重抖振问题,引入了扩张状态观测器(ESO)技术,实现了系统不确定量的在线估计与补偿。对所提方法的稳定性分析证明了系统的有限时间收敛特性。最后,将设计的控制器应用于空空导弹的敏捷转弯大角度机动控制,仿真结果表明新方法可以加快系统收敛速度,并能有效削弱未建模动力学造成的抖振现象。      

一种闭环冗余系统可重构控制方法

提出一种闭环冗余系统在线可重构控制方法,包括控制器、控制分配和故障诊断.在故障诊断算法中,首先采用有向图方法快速确定可能的故障源.对于难以隔离的故障,提出了一种在线故障定位方法.故障定位后,通过控制分配,重新分配控制律.以航天器冗余动量轮系统的故障重构为例,说明了如何在系统级角度在线定位故障,重构系统.最后,给出了冗余动量轮卫星姿态调节过程中故障重构的仿真算例.     

基于扩张状态观测器的运输机多故障容错控制

针对含有传感器与舵面故障的运输机姿态跟踪问题, 提出了一种基于扩张状态观测器的反步容错控制方法。采用状态观测器与控制器分开设计的方法, 设计含神经网络的扩张状态观测器估计系统状态、传感器和舵面故障信息。在此基础上, 利用状态估计值代替实际状态, 采用反步法设计姿态角跟踪控制律, 并引入指令滤波器提高反步法的控制性能, 基于Lyapunov稳定性理论推导证明了闭环系统跟踪误差的最终有界收敛。仿真结果表明, 在系统存在传感器与舵面多故障的条件下, 所提方法依然可以实现运输机姿态角的稳定跟踪。      

基于WPI的多操纵面飞机积分滑模容错控制

针对含位置和速率限制、故障重构存在误差和时滞下的过驱动飞行器损伤故障的容错控制问题,提出了一种基于动态自适应加权伪逆法(WPI,Weighted Pseudo Inverse)的积分滑模主动容错方法.采用指令限制模块对饱和控制信号及瞬时干扰进行限制,设计了动态自适应控制分配律逐步减小指令饱和,同时通过故障估计值修正控制分配律来直接补偿气动力损失,降低了故障对系统稳定的影响;设计积分滑模律实现了含重构不匹配和时滞的稳定控制.仿真结果表明,所设计的控制器能快速准确地跟踪参考指令,对时滞具有较强的鲁棒性,同时对损伤故障具有较强容错能力.     

一种非仿射高超声速飞行器的智能控制方法

针对非仿射高超声速飞行器控制问题，提出了一种基于强化学习的非线性反步控制方法。首先，基于高超声速飞行器的非仿射模型，设计了基于反步法的鲁棒跟踪控制器；其次，鉴于该控制器的性能和鲁棒性对参数比较敏感，借助深度确定性策略梯度的智能控制方法，对控制器进行了参数在线调整和控制指令补偿；最后，通过理论分析和仿真结果验证了当存在额外扰动和未建模动态时，所提出的智能控制器仍能保证攻角稳健跟踪期望目标。     

滑翔再入飞行器横侧向耦合姿态控制策略

针对气动舵面仅为两片体襟翼的欠驱动构型可重复使用运载器(RLV)再入过程中的强耦合现象,提出一种基于此类布局飞行器耦合特性的横侧向控制策略。在分析惯性耦合、运动耦合和稳定性耦合的产生机理与规避方式的基础上,计算标称轨迹下的急滚稳定边界并将倾侧角指令速率限制在此边界内以稳定惯性耦合;针对现有的荷兰滚模态预测式不适用于此布局飞行器的问题推导出一种新的荷兰滚运动预判方法,并根据预判结果设计控制增益。最终得到低动压下体襟翼-反作用力控制系统(RCS)复合控制策略和高动压下体襟翼单独作用的横侧向耦合控制策略。六自由度(6-DOF)仿真结果表明该控制策略能很好地跟踪制导指令并且能最大限度利用气动舵面以减少RCS燃料的消耗。      

基于受限参变率的飞翼无人机舵面阵风减缓控制

飞翼无人机具有俯仰惯量低、纵向稳定性弱等问题,使其阵风响应对飞行参数的变化较为敏感,并且飞翼无人机的舵面较多,不同的控制策略下阵风减缓的效果不同。因此,对这类飞行器进行考虑参数变化率阵风减缓线性变参数（LPV）控制律设计,并对不同舵面组合方式的控制性能展开对比研究。结合参数依赖的Lyapunov函数方法和变参斜投影降阶算法,构建了同时考虑参数变化率限制和模型降阶条件的LPV阵风减缓控制器。基于该方法对Mini-MUTT飞翼无人机模型设计LPV阵风减缓控制器;探究了不同舵面控制策略对减缓效果的影响。结果表明:采用变参斜投影降阶算法得到的降阶模型可有效表征全阶模型的动力学特性;设计的LPV阵风减缓控制器能够保证阵风在较宽速度范围内有效减缓;在单一舵面阵风减缓中,置于外侧的舵面控制效果优于内侧舵面;而在双舵面阵风减缓中,双舵面的控制效果优于单一舵面,但控制所需输入能量也会增加。在工程应用中需要针对具体问题,综合考虑控制效果和能量消耗以确定合适的控制策略。      

一类质心突变飞行器的姿态控制律重构设计

研究了一类质心突变飞行器姿态控制系统在发生故障时的一种控制律重构方法。采用以Unscented卡尔曼滤波为基本估计单元且用输出残差为故障诊断指标的交互式多模型算法实时地对飞行器故障情况进行检测与诊断。当诊断出故障时,重构控制律的参数对系统进行补偿控制,使得故障下飞行器的姿态跟踪精度得以维持。通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

导弹增量式自适应容错控制系统设计

导弹在实际飞行中存在气动参数不确定、执行机构故障等问题,从而对导弹飞行控制系统稳定性与操控能力造成严重影响。为此,设计一种增量式自适应容错控制方法,在实现导弹安全控制的同时,兼顾姿态控制算法时效性与可靠性。建立面向控制的三通道耦合姿态动力学模型;考虑系统不确定性和执行机构故障,基于增量式动态逆方法设计导弹被动容错控制律;基于自适应滑模控制与增量式动态逆方法,设计增量式动态逆自适应容错控制律,并对系统残差进行分析比较;通过某典型全弹道姿态跟踪任务,验证舵面故障下的姿态跟踪特性。仿真结果表明:所提方法在故障未知的情况下,能够保证飞行控制系统的鲁棒性与容错能力,实现导弹的安全可靠控制。      

基于干扰补偿的导弹增量式动态逆容错控制方法

针对导弹飞控系统存在外部干扰、执行机构故障等问题,运用一种鲁棒增量式动态逆被动容错控制方法,以避免主动故障诊断带来的计算效率问题,同时实现飞行姿态的可靠安全控制。针对外部干扰及执行机构故障等控制系统不确定性,建立导弹三通道姿态控制模型,基于干扰观测器对不确定性进行估计与补偿设计终端滑模控制律。为进一步增强导弹姿态控制系统的鲁棒性,给出导弹增量式动态逆容错控制律,结合终端滑模控制设计干扰补偿的增量式动态逆终端滑模控制律,并对系统残差进行分析比较。某典型全弹道姿态跟踪任务仿真表明,该方法在故障未知的情况下仍然保持姿态跟踪特性与容错能力,实现导弹姿态鲁棒精准快速控制。     

基于深度神经网络的航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制研究

针对传统航天姿控系统故障诊断与容错控制诊断精度及控制分配效率较低的问题,提出了一种基于深度神经网络的航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制方法。以控制力矩陀螺为执行机构的航天器发生执行机构故障工况时,所提出的方法可保证鲁棒的姿态控制。首先,利用三个异构深度神经网络实现传统容错控制器的故障诊断、姿态控制和力矩分配等功能,建立了全神经网络的智能自适应容错控制器架构。然后,对三个神经网络的网络层数、神经元数目和激活函数等参数进行优化调整,对比分析了神经网络参数对控制器性能的影响。最后,对所提出的新型控制器在控制力矩陀螺发生故障时的控制精度和鲁棒性进行了仿真验证。仿真结果表明,对于具有冗余控制力矩陀螺的航天器,提出的方法不仅能在单一陀螺故障下实现高精度的容错控制,也能在发生多陀螺故障时保证一定的姿态稳定控制。     

基于非线性未知输入观测器的航天器故障诊断

针对一类满足Lipschitz条件的非线性系统,设计了一组非线性未知输入观测器,并依据故障解耦的思想,产生结构化的残差集,实现非线性系统执行器的故障隔离。研究考虑了未知扰动对非线性系统的影响,并利用Lyapunov理论证明了所设计观测器的稳定性。最后,以三轴稳定卫星的姿态控制系统为对象,仿真验证了所提方法对各种典型执行器故障诊断的有效性。     

卫星姿态容错控制系统的鲁棒自适应逆最优控制

针对卫星姿态控制系统中的执行机构和敏感器故障问题,将系统不确定性参数作为在线估计自适应参数,并考虑系统故障检测与诊断结果的不确定性,基于逆最优原理采用积分反推方法求解辅助系统的自适应控制Lyapunov函数,设计了能够确保原系统鲁棒稳定的自适应逆最优控制器并给出了详细的证明。最后进行了数学仿真,仿真结果表明文中设计的容错控制方法合理有效。     

卫星姿态控制系统的故障可诊断性评价研究

在不依赖任何诊断算法的前提下,对卫星姿态控制系统中传感器和执行器的故障可诊断性进行评价,旨在将提高系统故障诊断能力的工作重点前移到设计阶段.由于反馈控制的存在,导致故障会在整个系统中进行传播,使得单故障源表现出多异常征兆,这给闭环系统的故障诊断带来极大挑战.将故障视作扩展状态,并考虑模型不确定性,得到卫星姿态闭环控制系统的状态空间模型;根据可观测性判据,给出并证明考虑建模不确定性的加性故障和乘性故障可诊断性条件.所得相关结论可为卫星姿态控制系统设计提供理论参考依据.     

Constrained adaptive fault-tolerant attitude tracking control of rigid spacecraft

A saturated fault-tolerant attitude tracking controller for disturbed rigid spacecraft is derived using nonlinear state feedback control method. The proposed controller achieves the constraints of control inputs by directly using the bounded function instead of the traditional saturation compensator technique, and the active tolerance to the partial loss of actuator effectiveness is also achieved by directly using the known bounds of the actuator faults in the controller. Specifically, compared with the traditional saturated control methods, a continuously bounded nonlinear function in the proposed controller is used to guarantee that the actuator outputs are smoothly bounded under the prescribed constraints. Based on some properties of the attitude tracking dynamics, the proposed controller can ensure the attitude tracking errors converge to small neighborhoods of zero via stability analysis in the Lyapunov framework. Simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the control scheme.     

ESO-based event-triggered attitude control of spacecraft with unknown actuator faults

An event-triggered control strategy based on extended state observer (ESO) is proposed for the attitude tracking problem of small plug-and-play spacecraft with uncertain inertia parameters, external disturbances, and actuator faults. A simplified controller is developed based on the angular velocity and the general disturbances estimated by the provided ESO using the information of the system inputs and the angular velocities. In the designed event-triggered sampling mechanism, a state-dependent event-triggered strategy determines the triggering instant of the controller to reduce the frequency of information transmission between the controller and the actuator. In comparison with the previous literature, this paper considers uncertain inertia parameters, external disturbances, and actuator faults as general disturbances estimated by ESO, especially for the actuator faults. The inputs of ESO are the error of the angular velocities, which can simplify the controller design. Moreover, the designed ESO can effectively attenuate the influence of measured noises generated by the gyroscopes. The proposed event-triggered policy balances the performance of event-triggering and the control stability performance, which reduces the final state convergence regions without increasing more triggering times compared to existing studies. Furthermore, the investigated policy achieves Zeno-free triggering. Numerical simulations verify theoretical results.