执行器受限条件下的高超声速飞行器容错预测控制策略研究

Aerodynamic surface deflection saturation constraint is the mechanical restriction on actuators of hypersonic vehicles, which limits the vehicle’s abilities about attitude regulation, trajectory tracking, and maneuver flight. Moreover, actuator faults bring about more difficulties to guarantee flight performance. Therefore, in this project, predictive control will be taken as the theoretical tool to develop fault-tolerant control strategies for reference trajectory tracking in large flight range and maneuver flight of orbital transfer. Firstly, the cause and effect of faults will be analyzed by mechanism and control theory, and the faulty model will be formulated. Then, the passive fault-tolerant predictive control strategies on reference trajectory tracking in large flight range will be studied. On the one hand, we will use feedback linearization to formulate the accurate polytopic linear parameter varying faulty model. The sum of squares technique will be utilized to handle state-dependent input saturation constraint, and the passive fault-tolerant robust predictive controller will be designed. On the other hand, only approximate polytopic faulty model will be obtained since some states cannot be precisely measured. The passive fault-tolerant Tube robust predictive control method via weighted index of control performance and robustness will be addressed to reduce conservatism and saturation probability of aerodynamic surface deflections. In addition, the active fault-tolerant two-layer integrated structure will be adopted for maneuver flight task of orbital transfer. Combining multiobjective optimization and extended state observer, we will study the online multiobjective maneuver trajectory optimization and fast continuous fault-tolerant predictive control. Moreover, the simulation platform will be developed to evaluate and validate the fault-tolerant strategies.

气动舵面饱和受限是高超声速飞行器执行器的机械特性，制约了飞行器姿态调整、轨迹跟踪和机动飞行的能力，而故障的发生使得飞行性能更加难以保障。因此本项目以预测控制为理论框架，开展大包线给定轨迹跟踪和机动变轨容错控制策略研究。首先从机理和控制角度分析故障原因及影响，建立故障模型。然后研究大包线给定轨迹飞行模式下的被动容错预测控制策略。一方面，利用反馈线性化，建立精确多胞线性参变故障模型，通过平方和技术处理状态依赖输入饱和约束，研究被动容错鲁棒预测控制器设计；另一方面，针对部分状态无法精确测量导致只能获得近似多胞故障模型的问题，以降低保守性与舵面饱和概率为目的，研究控制性能与鲁棒性定量加权的被动容错Tube鲁棒预测控制方法。此外，对于机动变轨要求，构建主动容错双层一体化结构，结合多目标优化和扩张状态观测器等，研究多目标机动轨迹在线优化和快速连续容错预测控制，并开发仿真平台进行容错策略的评价和验证。

作为执行器的固有机械特性，气动舵面饱和受限制约了高超声速飞行器任意调整姿态的能力，各种突发故障也严重影响着系统的性能，甚至造成飞行器的不稳定。为此，本项目针对执行器饱和受限下的失效、漂移和卡死等三种典型故障，并结合参数不确定等特性，以预测控制为核心算法，进行了容错控制的系统化研究。首先，从流体力学、时频域分析等角度，完成了高超声速飞行器执行器故障特性分析。通过CFD软件的建模和流体计算，分析了执行器正常和故障下的气动特性变化以及弹性下的机体形变；并对三种故障描述下的控制系统进行了时域和频域研究，分析了故障对于控制系统性能的影响。其次，利用反馈线性化建立了精确多胞LPV模型，对状态依赖虚拟输入约束下的被动容错控制方法进行了全面研究。利用平方和技术有效处理了状态依赖输入约束，并以基于范数有界的鲁棒预测控制、Tube预测控制作为基础方法，分别对刚体和弹性模型设计了两类控制器，保证了虚拟和实际控制输入分别满足时变与固定饱和约束，有效抑制了故障和弹性影响。然后，又利用雅克比线性化和张量积变换，建立了近似多胞LPV模型，设计了刚体和弹性下的被动容错预测控制器。除基础预测控制器外，还提出了基于陷波滤波器的被动容错Tube预测控制方法；对于可能发生的部分故障，通过不完备最小鲁棒正不变集的设计，提出了被动容错加权Tube预测控制方法，实现了控制性能与鲁棒性的定量折衷，降低了保守性。此外，还完成了主动容错预测控制方法研究。利用模糊多目标优化、直接配点法等方法进行了参考指令在线重构研究，并通过连续解析预测控制方法设计了双层一体化主动容错控制器；又将基于故障补偿的主动容错控制与平方和Tube预测控制相结合，提出了复合主动容错控制方法。最后，在分布式仿真平台上进行了仿真验证。本项目关于被动和主动容错的系统化研究结果具有一定学术价值，为容错控制提供了新的思路。