高超声速飞行器再入段容错制导与控制研究

摘要

由于高超声速飞行器再入飞行的稳定性与安全性至关重要，再入段发生故障时亟需合适的容错方案，特别是容错制导方案以保证飞行器的安全。本文以高超声速飞行器为研究对象，针对飞行器发生故障的情况，对高超声速飞行器再入段容错制导与控制做了一定的研究。
　　首先，综述了本课题的研究背景和意义，介绍了国内外高超声速飞行器的发展现状。概述了本文研究的核心问题：再入制导问题，简要概述了目前高超声速飞行器再入制导技术和容错制导技术的研究现状。
　　其次，针对高超声速飞行器再入运动模型，考虑舵面发生卡死故障，设计集成容错制导与控制方案。本方法实现了制导环与姿态环的联合控制，通过预测校正制导算法、Backstepping反逆法和控制分配法设计了轨迹状态、控制输入、控制力矩、舵面偏转角等系统指令之间的跟踪控制系统。针对舵面故障，设计了基于剩余健康舵面补偿的容错控制方案，从而补偿舵面故障造成的力矩损失。
　　再次，由于姿态环的容错能力有限，且仅仅姿态环的容错控制虽然能跟踪到制导环的控制输入，但是该控制输入在故障情况下可能已经不能满足再入制导的要求，需要在制导环进行容错算法研究。通过初始状态扰动和气动系数偏差下的飞行数据建立在线轨迹数据库，利用轨迹库的数据通过基于相邻可行轨迹存在定理（NFTET）的容错制导算法实时重构出故障下合适的新轨迹，使得飞行器重新处于可控范围之内。
　　最后，由于前两部分主要侧重容错方法上的研究，在气动模型的使用上则是事先选取好特定的气动模型，但实际飞行过程中气动参数是随各种因素变化着的，因此分别设计标称气动模型和重构气动模型，将故障和舵面信息引入到气动模型中，研究气动参数的动态变化过程。最后将设计的标称和重构气动模型应用在基于预测校正算法的再入制导系统中，获得不同气动模型下的再入制导轨迹。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 高超声速飞行器发展现状

1.3 再入制导问题及再入制导方法研究现状

1.4 再入容错制导研究现状

1.5 本文的主要研究内容与章节安排

第二章 高超声速飞行器模型

2.1 引言

2.2 再入运动方程

2.3 控制量的选取

2.4 再入约束条件

2.4 再入制导目标

2.5 结论

第三章 基于控制分配的高超声速飞行器再入容错制导与控制

3.1 引言

3.2 预测校正制导律设计

3.3 基于控制分配和Backstepping的容错控制律设计

3.4 仿真验证

3.5 结论

第四章 基于NFTET的高超声速飞行器再入容错制导

4.1 引言

4.2 相邻可行轨迹存在定理

4.3 容错制导理论分析

4.4 基于NFTET的容错制导律设计

4.5 仿真验证

4.6 结论

第五章 基于重构气动模型的高超声速飞行器再入容错制导

5.1 引言

5.2 气动模型重构设计

5.3 基于重构气动模型的轨迹生成

5.4 仿真验证

5.5 结论

第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

在攻读硕士学位期间发表的学术论文目录与参加科研情况

致谢