考虑控制方向不确定的高超声速飞行器自适应容错控制研究

• 作 者: 徐斌彦
• 出 处: 南京航空航天大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 高超声速飞行器 Nussbaum增益自适应控制 容错控制 非最小相位系统

高超声速飞行器由于其飞行速度快,所以在军事和民事领域都有广阔的应用前景。然而,复杂且特殊的动态给高超声速飞行器的控制研究带来了极大的挑战。本课题主要关注高超声速飞行器的控制方向不确定问题,这个问题来源于剧烈变化的气动参数、可能的舵面反偏故障以及控制系统的复杂结构。本研究基于Nussbaum型函数,针对存在不确定控制方向、不确定模型参数、未知舵面故障、输入限制、外界干扰以及非最小相位特性的高超声速飞行器纵向动态模型,提出了自适应容错控制策略。所设计的控制系统不仅能够保证闭环系统的稳定,还能实现输出的高精度跟踪。首先,阐述了课题的研究背景和研究意义,分别介绍了高超声速飞行器纵向控制问题、不确定控制方向问题和非最小相位系统控制问题的研究现状。之后,给出了两种常见的模型对象:通用高超声速飞行器纵向模型(最小相位系统)和吸气式高超声速飞行器纵向模型(非最小相位系统)。其次,针对通用高超声速飞行器模型,分别设计了高度自适应容错跟踪控制器和速度自适应跟踪控制器。在不考虑不确定性的标称容错控制器的基础上,引入了在线参数估计器估计不确定参数,同时还引入了Nussbaum增益函数估计控制方向,得到了自适应容错控制器。根据闭环输出跟踪误差的动态,选择合适的自适应律和Nussbaum参数调节律。通过稳定性分析和仿真实验,分别验证了设计的控制效果。再次,将之前提出的Nussbaum增益自适应容错控制方案拓展到多输入多输出的通用高超声速飞行器纵向模型上。基于参数化的故障下的输入—输出动态,设计标称容错控制器。再将其与一个自适应在线估计器结合,实现自适应容错控制。Nussbaum增益函数被引入到舵面控制通道上以解决控制方向不确定问题。此外,为了解决基于Nussbaum增益函数的自适应控制系统产生的控制信号可能超过输入限制的问题,设计了相应的抗饱和补偿策略。理论证明了输出跟踪误差的渐近收敛性和闭环系统的稳定性,并且通过仿真进一步验证了设计的控制效果。最后,针对具有非最小相位性质的吸气式高超声速飞行器纵向动态模型,考虑控制方向不确定、参数不确定和未知舵面故障,设计基于Nussbaum型函数的自适应容错控制器。先建立输出动态和内部动态之间的直接关系,并采用稳定中心法构建理想内动态,作为内部状态的参考信号。然后,设计一个双层结构的自适应容错控制系统:外层控制将输出反馈为一个内层输入信号;内层控制则基于输出重定义,采用反馈线性化设计内层控制律。参数自适应律和Nussbaum参数调节律被合理选择后,所设计的控制器能够在实现输出跟踪的同时保证内动态的稳定性。最终,理论证明了跟踪误差具有足够小的上界,也通过仿真实验验证了控制器的效果。