针对传感器复合故障的高超声速飞行器自愈合控制研究

发布时间：2020-08-14 15:37

【摘要】：高超声速飞行器所处飞行环境具有高速、低压、高温、强辐射、电磁干扰、雷电、强对流等严酷特征,其部件常常会发生外机械振动、管线脱落、电子器件失效等情况,可能导致传感器系统发生复合故障,造成严重后果。传感器复合故障下的高超声速飞行器自愈合控制研究便成为富有意义的课题。本文以高超声速飞行器巡航阶段纵向模型与再入段姿态角模型为研究对象,研究了传感器发生各种复合故障的故障检测与估计问题,并以此设计了相应的自愈合控制方法。论文的主要内容如下:(1)针对高超声速飞行器纵向模型高度和速度通道发生多传感器故障的情况,设计了基于自适应与反步滑模故障估计观测器的自愈合控制方法。首先利用反馈线性化方法建立了高超声速飞行器纵向仿射非线性模型,并设计了标称滑模控制器使输出跟踪给定参考指令。提出了非线性自适应观测器的方法来估计速度通道的故障。通过将受耦合影响的系统参数也作为估计项,设计了反步滑模观测器精确估计高度通道故障。利用故障估计值对滑模控制器进行补偿,使原系统重新跟踪给定参考指令。(2)考虑更为复杂的时变传感器连锁故障与外部干扰,设计了基于多维广义观测器的故障诊断与容错控制方案。以巡航阶段纵向T-S模糊模型为基础,考虑外部干扰与非线性项,增强模型的代表性。针对传感器连锁故障,首先建立故障检测观测器检测故障,随后设计了多维广义观测器方法解决了因耦合效应影响导致的普通广义观测器对连锁故障估计效果不理想问题。根据所得故障估计结果,设计了能处理系统非线性和传感器故障的鲁棒容错控制器使系统恢复稳定。所设计的观测器与控制器满足H_∞性能指标,对干扰具有鲁棒性。(3)针对高超声速飞行器再入段姿态角系统传感器复合故障,设计了基于间接自适应滑模和动态面技术的自愈合方法。首先针对带有传感器故障与干扰的再入段姿态角系统,设计了非线性故障检测观测器生成检测残差以检测故障。提出了带有容错项的间接自适应滑模虚拟控制器与动态面控制器设计方法。传感器复合故障在控制器设计过程中就被快速补偿,不需要额外的故障估计观测器设计,确保故障系统重新恢复对参考指令良好跟踪的同时,减少了系统复杂性。将上述故障检测、故障估计与自愈合控制方法进行了基于Matlab/simulink的对比性仿真研究,并利用Links-Box平台对部分结果进行了快速原型仿真实验。结果表明本文所提方案能够快速检测故障、精确获得故障估计信息的同时,对其进行有效补偿,从而保证系统的稳定性和跟踪性能。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V249.1
【图文】：

并可能会导致部件发生外形变化、机械振动、管线脱落、电子器机构产生卡死、偏移、效益损失等故障，传感器系统发生失效、2010 年 5 月 26 日，X-51A 首次试飞试验中，在加速到五倍马赫就发生故障，被迫启动自毁程序并终止试验。在随后的 2012 年 验证实验，然而再其飞行的第 16 秒，平衡尾翼即发生故障，造成故障，由于高超声速飞行器对部件可靠性的高要求，若不能进行过时间累积，严重破坏控制系统性能，造成的人员与财产的损失，为高超声速飞行器设计具有故障自愈合能力且抗干扰的控制方的方向。目前国内外学者对高超声速飞行器发生执行器故障下的l, FTC）技术已有一定科研成果，但对于其发生传感器故障的相关学基金重点项目的支持下，以国内外科研工作者的研究成果为理行器巡航阶段与再入段非线性模型，考虑存在外部干扰和发生传适应、滑模、反步和观测器设计等技术，重点研究高超声速飞行容错控制方案，争取提高高超声速飞行器在发生故障后的自愈合靠安全飞行。

0]以及 FALCON 项目[11]，先后推出了 X-15、X-33、X-43 和 X-虽因技术或资金问题并未研制出成熟的机型，但已在该技术领家在该领域的快速发展，美国更是加快了自己的脚步。2017 年速飞行器形容成“曼哈顿工程”，提出将制定第一个应对实战的超声速飞行器打击武器项目申请 4.34 亿美元资金，预示着美国器装备发展进程，抢占将其实战化的先机[13]。目前，美国研制包括高超声速技术飞行器 HTV，高超音速巡航飞行器 X-51A V 主要由美国国防高级研究计划局（DARPA）主持，代号“猎鹰在两次实验中分别提供了空气动力学、飞行性能和机体结构及高A 由高超声速飞行器项目成果颇多的美国空军发起，在 2013 年五倍多马赫数平稳飞行 425 千米，在此技术基础上，美国空军18 年 10 月公布的 X-60A，预计测试速度能达到六倍马赫数，它动机技术、高温材料和自动控制方面实现新的突破。AHW 是略司令部共同研制，在 2011 年 11 月的首次试射中即取得成功技术故障失败。

量的关键一环[14]。高超音速助推滑翔导弹的典型代表包括 Yu-75]，其中 2016 年 6 月开始推动的 Yu-74 速度可达十倍马赫数，能突破任何导弹防御系统”的强力武器。除了助推滑翔导弹外目也颇具成果，包括“锆石”和“匕首”等。2017 年 4 月，速为世界首型高超音速反舰导弹成功试射。“匕首”速度更是高达，已在 2018 年 5 月由米格-31 战机携带完成作战任务试验。除音速隐身战略轰炸机 PAK-DA，其可以水平起降且能从太空发出原型试验机。

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本文编号：2793221