非致命损伤与多重严苛约束下的组合动力飞行器上升段自主协调安全控制研究

This project studies, from the perspective of control system design, how to maximize the autonomous fault-tolerant capability of combined-cycle engine powered aerospace vehicle in the face of non-fatal damage during ascent. Through in-depth analysis of the kinematics and dynamic characteristics of the vehicle during ascent and the working characteristics of the combined-cycle engine, several control-oriented practical models are established. On this basis, the influence of damage on the model structure and parameters is analyzed. Considering the harsh constraints to be satisfied during the ascent, the working conditions of the engine, and the non-minimum phase characteristics caused by the aero-propulsion coupling, we try to design online reconfigurable control laws and coordinate the control capabilities of heterogeneous actuators to compensate for the effects of damage on system stability and key performance, and to coordinate the flight attitude to mitigate the evolution the damage at the same time. We focus on solving the key scientific issues covered by this project, and innovatively develop adaptive damage compensation and reconfigurable control theories and methodologies for complex multivariable nonlinear systems. This project will provide a series of new effective solutions on the issues of processing parameters/structure uncertainties, output/state constraints, and non-minimum phase characteristics..This project aims at the frontier areas of the world and the major strategic needs of China. The research results will provide important theoretical support and key technology accumulation for China's development of high-security, high-reliability combined-cycle engine powered aerospace vehicle.

本项目从控制系统设计的角度研究如何最大程度增强组合动力飞行器上升段面对非致命损伤的自主容错能力。通过深入分析组合动力飞行器上升段的运动学、动力学特性及组合动力发动机的工作特点，建立几种面向控制的实用模型。在此基础上分析损伤对模型结构和参数的影响，考虑上升过程中需满足的苛刻约束条件及发动机的工作条件，考虑气动-推进耦合导致的非最小相位特性，通过自主在线重构控制律，协调融合异类执行机构的控制能力，补偿损伤对系统稳定性和关键性能的影响，同时协调飞行姿态尽可能减缓损伤的演化。重点解决其中涵盖的关键科学问题，创新性地发展针对复杂多变量非线性系统的自适应损伤补偿与重构控制理论与方法，在处理参数/结构不确定性、输出/状态约束、非最小相位等问题上给出一系列新的有效解决方案。.本项目瞄准国际前沿领域和我国重大战略需求，研究成果将为我国研制高安全性、高可靠性的组合动力飞行器提供重要的理论支撑和关键技术积累。

组合动力高超声速飞行器（HSV）融合航空、航天技术，是空天运输实现完全可重复使用的长远发展目标，也是我国航空航天领域的重大战略需求之一。本项目研究非致命损伤和多重严苛约束下的HSV上升段自主协调安全控制关键技术，主要研究内容和重要结果如下：.（1） 分析了故障和损伤对HSV气动特性的影响，在基础控制律之外引入自适应动态规划处理其导致的结构及参数不确定性，构建自适应最优控制策略提供增稳信号，引入障碍李雅普诺夫函数处理约束，提高飞行器对故障和损伤的适应能力。.（2） 考虑非最小相位特性以及故障和损伤对HSV纵向模型的影响，提出新的双层多模型自适应容错控制策略，基于间隙度量理论构建线性模型集表征内动态，通过外部状态偏差控制内状态；提出转换为轨迹优化问题的理想内动态高精度求解新方法，以及故障及损伤下的近似求解新方法，在稳定内动态的同时获得更好的跟踪性能。.（3） 考虑故障及损伤对HSV上升段姿态模型的影响，提出新的快速自适应容错控制方法，引入两个指令滤波器重构不确定性并设计自适应律，与全部使用神经网络重构相比，具有更少的控制设计参数和更高的计算效率。.（4） 考虑故障和损伤导致的HSV上升段约束条件变化，提出新的全状态时变约束下的自适应容错控制方案，该方法包含一种新的约束转换函数，不需要额外条件即可处理非对称时变状态约束，同时通过设计时变尺度函数矩阵对跟踪误差进行变换，实现了时变约束下多输入多输出纯反馈系统的实际跟踪控制。.（5） 考虑HSV六自由度模型及上升段多重过程约束，提出结合级联控制、控制障碍函数的新型制导控制一体化算法，对速度子系统设计控制障碍函数约束算法以满足过程约束，利用反步法和动态逆设计其余子系统的控制器，在满足上升段过程约束的同时，实现飞行器的三维跟踪控制。.本项目的研究结果能够推进复杂非线性系统的自适应容错控制理论与方法发展，为增强高超声速飞行器的安全性提供重要的理论基础与技术支撑。