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飞机的非线性自修复控制研究

作　者: 郭志伟
导　师: 王永
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 故障诊断自修复控制效率损失矩阵差动补偿矩阵修复控制向量作动器/舵面自适应控制高增益观测器动态面反步控制
分类号: V249.1
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

美国NASA于1984年提出自修复飞行控制系统(Self-Repairing Flight Control System)研究计划以来,自修复控制已经成为航空航天领域研究的热点之一,是提高复杂飞行控制系统可靠性的一条有效途径。在不增加硬件设备的前提下,充分利用飞机操纵面本身存在的功能冗余,提高飞控系统的可靠性。故障检测与隔离是自修复飞控系统的核心技术之一,它要求能及时对故障发生的原因和部位进行检测,预测潜在故障发生的可能性,进而为及时预警以及飞行控制律重构和自主维护诊断提供相关信息和依据；飞行控制律重构是自修复系统的另一项核心技术,其功能就是在飞机出现比较大的故障情况下,通过实时改变控制律,重构出可以正常操纵飞机的控制律,保证故障飞机的飞行安全。本文主要做了以下工作：第一,本文根据自修复飞行控制的一些基本概念,利用五舵面单发飞机的各个舵面之间的相互关系,结合自修复飞行控制的基本假设,提出了一种非线性自修复控制律设计的两步法策略,即基本控制律和修复控制向量独立设计；在该控制律设计策略中,故障发生前后基本控制律均保持不变,只是在故障发生后以额外信号的形式引入修复控制向量,补偿故障对系统稳定性和跟踪性能的影响。这样将自修复控制律的设计转化为分别设计基本控制律和求解修复控制向量两个相互独立的问题,简化了自修复控制律的设计过程。基于此控制器结构,提出了一种新的作动器/舵面故障描述形式,该模型将故障对气动参数的影响折算到输入中,使得飞机动态方程中的其他各项在故障前后维持一致。第二,将飞机的速度、航迹俯仰角及航迹方位角作为广义的速度矢量,在飞机无故障时,设计了基于反步(backstepping)控制思想的速度、侧滑角自适应跟踪控制律；针对反步设计中,对虚拟控制律进行微分运算所导致的控制律存在的“计算膨胀”问题,本文提出了一种结合动态面(dynamic surface)思想的速度、侧滑角自适应反步跟踪控制律,该控制律可以保证闭环系统具有输入-状态稳定的特性,本文给出了严格的证明。基于某飞机模型,进行了两种超机动动作的数值仿真,结果验证了该控制律可以保证无故障飞机具有良好的跟踪效果,满足自修复飞行控制的基本假设之一,为后面的自修复控制向量的求解提供了基础和保证。第三,根据输出匹配条件,推导了修复控制向量的解析解,其构造为基本控制律及故障相关项的线性组合,且线性组合系数是故障参数的函数；修复控制向量的求解转化为故障参数的计算。针对故障参数的求解,提出了两种不同的参数数求解方法：即,基于自适应思想的参数估计及基于故障诊断的参数求解法。第四,根据自适应控制思想,在作动器/舵面故障的σ,d参数模型的基础上,针对作动器/舵面卡死故障及作动器缺损,分别推导了修复控制向量的参数自适应律,并给出了修复后系统的闭环特性。该方法具有待估计参数少,修复控制律构造简单的特点。分别针对左副翼卡死10°的故障及右升降舵缺损90%故障,进行了数字仿真,它从另一个角度证明了自适应修复控制律对作动器／舵面卡死、缺损故障修复的有效性；由于自适应修复控制律并不是在故障发生后才作用于系统,而是始终对系统产生作用,因此该控制方法同样对改善整体的跟踪性能也是有贡献的。最后,针对基于自适应控制思想的自适应修复控制律不能保证故障参数估计值收敛于真值的不足,考虑到飞机的作动器具有典型的二阶动态特性,将其引入飞机的非线性动态方程,利用作动器/舵面的θ参数模型,提出了一种在线辨识故障参数的高增益观测器设计方法,通过对作动器实时进行状态和参数联合估计,得到表征故障的参数。然后根据估计得到的故障参数构造修复控制向量,该修复控制向量能够抵消作动器故障产生的影响,并使故障系统性能很快恢复到无故障时性能的水平。基于飞机模型的数字仿真,表明右副翼卡死5°时的修复过程比较平稳,故障参数在线辨识精度高；对于缺损故障,进行了左升降舵缺损90%时的仿真,相关曲线同样验证了该算法的有效性。

飞机的非线性自修复控制研究

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