高超声速飞行器的故障诊断与容错控制技术研究

摘要

高超声速技术是21世纪航空航天领域的研究热点，是当今世界各军事强国竞相关注的战略发展方向。在以研制高超声速飞行器为主要目标的先期技术开发阶段，由于存在技术跨度大、技术成熟度不高等问题，各国研制的高超声速验证飞行器事故频发。如何提升高超声速飞行器飞行控制系统的安全性和可靠性，降低其全生命周期成本，成为了控制科学与工程学科当前面临的一个具有挑战性的前沿问题。围绕这个问题，本文以高超声速飞行器的故障诊断与容错控制技术研究为主题，在高超声速飞行器面向控制的建模与分析、基于观测器的故障诊断、重置切换容错控制、切换控制重构，以及饱和容错控制等方面开展了较为深入的研究。
　　首先，由于高超声速飞行器具有合理精度的、面向控制的解析数学模型难以获取，根据国内外已公开发表的文献资料建立并分析了某型具有乘波体构型，装配超燃冲压发动机的高超声速飞行器的机体-推进系统一体化模型。接着，考虑到高超声速飞行器的部分状态变量无法用现有的传感器进行准确的测量，先后研究了基于重置比例-积分残差产生器和自适应滑模故障观测器的状态估计与故障重构方法，并对两类观测器的求解约束条件及性能进行了对比分析。随后，针对时变故障下的高超声速飞行器多模型描述，研究了具有重置动态的线性变参数切换容错控制方法。然后，为了弥补切换容错控制系统结构复杂，控制器切换容易造成严重的瞬态跳变的缺点，提出了一种基于虚拟作动器的切换控制重构方法。最后，针对高超声速飞行器执行机构故障容易引起控制输入饱和的问题，设计了一种基于滑模观测器的鲁棒非线性饱和控制律，提出了多输入多输出重置控制系统的一种抗饱和补偿器设计方法，并且研究了虚拟作动器的多目标优化方法。
　　本文的主要创新点如下：
　　(1)在单个观测器仅检测单个高超声速飞行器执行机构故障的框架下，提出了一种预置重置逻辑的比例-积分残差产生器。该方法将未知输入比例-积分观测器理论与重置控制理论相结合，保证了故障估计信号与外界扰动完全解耦，提高了线性比例-积分残差产生器的故障跟踪性能，同时改善了观测误差系统对量测噪声的鲁棒性。
　　(2)在单个观测器检测多个高超声速飞行器执行机构故障的框架下，针对故障诊断单元对模型不确定性的鲁棒性和对故障的适应性要求，提出了一种自适应滑模故障观测器来重构系统故障：通过设计自适应律，解决了故障上界和不确定性上界未知的问题；通过放宽Lyapunov矩阵的结构限制，减小了经典的滑模观测器参数综合方法的保守性；利用连续函数逼近，减缓了滑模面上的抖振。
　　(3)针对高超声速飞行器的容错控制系统对指令跟踪性能的高要求，提出了一种适用于多输入多输出高超声速飞行器飞行控制系统的鲁棒重置控制器及其单步参数综合方法来处理线性鲁棒容错子控制器固有的波特增益-相角约束。该方法将多输入多输出系统的重置逻辑视为待优化的未知参数，并通过构造线性矩阵不等式凸优化问题，将其与控制器参数同步解出，既解决了该多输入多输出重置控制器的重置逻辑设计问题，又减小了分步综合方法的保守性。
　　(4)针对控制器整体切换会导致高超声速飞行器飞行控制系统的复杂度过大，设计成本过高等问题，提出了一种基于虚拟作动器的切换控制重构系统框架。首先，设计了一种改进的虚拟作动器以同时处理传感器故障与执行机构故障；然后，推导分析了稳定与最优轨迹恢复性能指标和?2性能指标之间的关系，给出了基于扩展线性矩阵不等式的最优虚拟作动器综合方法；最后，提出了虚拟作动器切换的Youla参数化方法，以保证整个系统对任意故障/虚拟作动器切换的稳定性。
　　(5)针对严重执行机构故障容易导致控制输入饱和的问题，提出了一种重置容错子系统的抗饱和补偿器综合方法。采用线性凸包法处理重置容错子系统的饱和非线性以减小解的保守性；利用线性矩阵不等式凸优化技术保证了闭环系统的?2性能，并使估计的吸引域最大。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景和意义

1.3 故障诊断与容错控制技术概述

1.4 研究现状与难点

1.5 论文的研究思路和组织结构

第二章 面向控制的高超声速飞行器建模

2.1 某型高超声速飞行器的构型特点

2.2 机体-推进系统一体化建模

2.3 模型线性化与变参数模型推导

2.4 高超声速飞行器巡航阶段的开环特性分析

2.5 故障建模与故障注入

2.6 本章小结

第三章 基于观测器的故障诊断与重构

3.1 问题描述

3.2 基于重置观测器的故障检测与估计

3.3 基于滑模观测器的故障检测与估计

3.4 仿真与分析

3.5 本章小结

第四章 具有重置动态的LPV切换容错控制

4.1 问题描述

4.2 鲁棒H∞ 重置子控制器设计

4.3 切换容错控制系统的全局稳定性

4.4 仿真实例分析

4.5 本章小结

第五章 基于虚拟作动器的切换控制重构

5.1 问题描述

5.2 基于鲁棒H∞ 最优方法的虚拟作动器综合

5.3 切换控制重构系统设计

5.4 仿真与分析

5.5 本章小结

第六章 考虑饱和非线性的容错控制

6.1 基于滑模观测器的饱和容错控制

6.2 重置容错控制系统的饱和控制

6.3 虚拟作动器的饱和问题

6.4 仿真与分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

博士期间发表论文和参加科研情况等说明

致谢

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