高超声速飞行器的变阶无扰切换容错控制研究

Because of the special dynamic characteristics and complex working environment, the sensors and actuators of hypersonic vehicle prone to failure and make the vehicle loss of regulation, which raise the need to reduced-order control for controller. However, variable-order controller switching will generate problems of control signal transient shocks and instability. Currently, the study of the stability of variable-order switched systems is in its infancy, and the research of switching performance related to the applicability is still blank. To this end, the project proposes a dual design method of switching control and switching performance for variable-order switched systems. The study includes: Look for the mechanism of transient shocks of variable-order switching; Study the design strategy of bumpless switching control for variable-order switched systems; Seek the stability analysis conditions of systems under bumpless switching; Investigate the impact of the switching rules faults on systems performance and look for the suppression strategies; Create a systematic theoretical framework of switching control and performance guarantee. Moreover, establish a hypersonic vehicle which can reflect more realistic engine characteristics for the design and verification using the obtained method. The research results will provide effective analysis and design methods for the studies of variable-order switched systems, and develop and enrich the existing switched system theories. Furthermore, the results will be applied to fault tolerant control design of practical systems including hypersonic vehicle, to provide strong theoretical basis and technical support.

由于特殊的动力学特性及复杂的运行环境，导致高超声速飞行器在运行中极易发生传感器和执行器故障而失去调节作用，需要进行控制器的降阶控制，但变阶控制器间切换会产生控制信号暂态冲击和不稳定等问题。目前变阶切换系统的稳定性研究处于初级阶段，而对关系可应用性的切换性能研究尚为空白。为此，本项目提出变阶切换系统的切换控制与切换性能双重设计方法。研究内容包括：探求变阶切换下暂态冲击的产生机理；研究变阶切换系统的无扰切换控制设计方法；寻求无扰切换下的系统稳定性分析条件；研究切换规则故障对于系统性能的影响规律和抑制策略；建立系统的切换控制和性能保障的理论体系。同时，建立可反映更真实发动机特性的高超飞行器模型，利用所得到方法进行设计和验证。项目研究成果将为变阶切换系统的研究提供有效的分析和设计方法，发展和丰富切换系统理论，并将应用到高超容错控制等实际系统设计中，为解决实际控制问题提供有力的理论依据与技术支撑。

项目对高超声速飞行器的变阶无扰切换容错控制进行了研究。研究要点致力于飞行器/发动机模型的建立和无扰切换控制技术两个方面。对于模型研究部分，项目构建了高超声速飞行器一体化仿真模型，并重点建立了由高反压引起进气道不起动问题的超燃冲压发动机控制模型。对于控制技术研究部分，项目紧密围绕安排的研究内容，分别研究得到了切换系统在执行器和传感器故障条件下的稳定性分析方法、控制及无扰切换补偿器设计条件。在此基础上，项目继续考虑了异步切换问题，研究得到了切换系统在切换时滞下的无扰切换控制方法。此外，项目还扩展了切换控制技术的研究范围，对切换系统的事件触发控制问题进行了探索性研究，提出了针对切换系统的事件触发控制分析和设计的基本解决框架。总体而言，项目对研究计划的每项内容都进行了具体和深入地研究，实现了预计的主要研究目标。基于研究，项目建立了基于无扰切换、容错和切换稳定性等理论技术的切换控制设计的系统方法，成果可为飞行器、发动机调节/保护控制等领域提供有益的技术借鉴和方法支撑。