【摘要】：高超聲速飛行器所處飛行環(huán)境具有高速、低壓、高溫、強輻射、電磁干擾、雷電、強對流等嚴(yán)酷特征,其部件常常會發(fā)生外機械振動、管線脫落、電子器件失效等情況,可能導(dǎo)致傳感器系統(tǒng)發(fā)生復(fù)合故障,造成嚴(yán)重后果。傳感器復(fù)合故障下的高超聲速飛行器自愈合控制研究便成為富有意義的課題。本文以高超聲速飛行器巡航階段縱向模型與再入段姿態(tài)角模型為研究對象,研究了傳感器發(fā)生各種復(fù)合故障的故障檢測與估計問題,并以此設(shè)計了相應(yīng)的自愈合控制方法。論文的主要內(nèi)容如下:(1)針對高超聲速飛行器縱向模型高度和速度通道發(fā)生多傳感器故障的情況,設(shè)計了基于自適應(yīng)與反步滑模故障估計觀測器的自愈合控制方法。首先利用反饋線性化方法建立了高超聲速飛行器縱向仿射非線性模型,并設(shè)計了標(biāo)稱滑�？刂破魇馆敵龈櫧o定參考指令。提出了非線性自適應(yīng)觀測器的方法來估計速度通道的故障。通過將受耦合影響的系統(tǒng)參數(shù)也作為估計項,設(shè)計了反步滑模觀測器精確估計高度通道故障。利用故障估計值對滑�？刂破鬟M行補償,使原系統(tǒng)重新跟蹤給定參考指令。(2)考慮更為復(fù)雜的時變傳感器連鎖故障與外部干擾,設(shè)計了基于多維廣義觀測器的故障診斷與容錯控制方案。以巡航階段縱向T-S模糊模型為基礎(chǔ),考慮外部干擾與非線性項,增強模型的代表性。針對傳感器連鎖故障,首先建立故障檢測觀測器檢測故障,隨后設(shè)計了多維廣義觀測器方法解決了因耦合效應(yīng)影響導(dǎo)致的普通廣義觀測器對連鎖故障估計效果不理想問題。根據(jù)所得故障估計結(jié)果,設(shè)計了能處理系統(tǒng)非線性和傳感器故障的魯棒容錯控制器使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。所設(shè)計的觀測器與控制器滿足H_∞性能指標(biāo),對干擾具有魯棒性。(3)針對高超聲速飛行器再入段姿態(tài)角系統(tǒng)傳感器復(fù)合故障,設(shè)計了基于間接自適應(yīng)滑模和動態(tài)面技術(shù)的自愈合方法。首先針對帶有傳感器故障與干擾的再入段姿態(tài)角系統(tǒng),設(shè)計了非線性故障檢測觀測器生成檢測殘差以檢測故障。提出了帶有容錯項的間接自適應(yīng)滑模虛擬控制器與動態(tài)面控制器設(shè)計方法。傳感器復(fù)合故障在控制器設(shè)計過程中就被快速補償,不需要額外的故障估計觀測器設(shè)計,確保故障系統(tǒng)重新恢復(fù)對參考指令良好跟蹤的同時,減少了系統(tǒng)復(fù)雜性。將上述故障檢測、故障估計與自愈合控制方法進行了基于Matlab/simulink的對比性仿真研究,并利用Links-Box平臺對部分結(jié)果進行了快速原型仿真實驗。結(jié)果表明本文所提方案能夠快速檢測故障、精確獲得故障估計信息的同時,對其進行有效補償,從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤性能。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V249.1
【圖文】：

并可能會導(dǎo)致部件發(fā)生外形變化、機械振動、管線脫落、電子器機構(gòu)產(chǎn)生卡死、偏移、效益損失等故障，傳感器系統(tǒng)發(fā)生失效、2010 年 5 月 26 日，X-51A 首次試飛試驗中，在加速到五倍馬赫就發(fā)生故障，被迫啟動自毀程序并終止試驗。在隨后的 2012 年 驗證實驗，然而再其飛行的第 16 秒，平衡尾翼即發(fā)生故障，造成故障，由于高超聲速飛行器對部件可靠性的高要求，若不能進行過時間累積，嚴(yán)重破壞控制系統(tǒng)性能，造成的人員與財產(chǎn)的損失，為高超聲速飛行器設(shè)計具有故障自愈合能力且抗干擾的控制方的方向。目前國內(nèi)外學(xué)者對高超聲速飛行器發(fā)生執(zhí)行器故障下的l, FTC）技術(shù)已有一定科研成果，但對于其發(fā)生傳感器故障的相關(guān)學(xué)基金重點項目的支持下，以國內(nèi)外科研工作者的研究成果為理行器巡航階段與再入段非線性模型，考慮存在外部干擾和發(fā)生傳適應(yīng)、滑模、反步和觀測器設(shè)計等技術(shù)，重點研究高超聲速飛行容錯控制方案，爭取提高高超聲速飛行器在發(fā)生故障后的自愈合靠安全飛行。

0]以及 FALCON 項目[11]，先后推出了 X-15、X-33、X-43 和 X-雖因技術(shù)或資金問題并未研制出成熟的機型，但已在該技術(shù)領(lǐng)家在該領(lǐng)域的快速發(fā)展，美國更是加快了自己的腳步。2017 年速飛行器形容成“曼哈頓工程”，提出將制定第一個應(yīng)對實戰(zhàn)的超聲速飛行器打擊武器項目申請 4.34 億美元資金，預(yù)示著美國器裝備發(fā)展進程，搶占將其實戰(zhàn)化的先機[13]。目前，美國研制包括高超聲速技術(shù)飛行器 HTV，高超音速巡航飛行器 X-51A V 主要由美國國防高級研究計劃局（DARPA）主持，代號“獵鷹在兩次實驗中分別提供了空氣動力學(xué)、飛行性能和機體結(jié)構(gòu)及高A 由高超聲速飛行器項目成果頗多的美國空軍發(fā)起，在 2013 年五倍多馬赫數(shù)平穩(wěn)飛行 425 千米，在此技術(shù)基礎(chǔ)上，美國空軍18 年 10 月公布的 X-60A，預(yù)計測試速度能達(dá)到六倍馬赫數(shù)，它動機技術(shù)、高溫材料和自動控制方面實現(xiàn)新的突破。AHW 是略司令部共同研制，在 2011 年 11 月的首次試射中即取得成功技術(shù)故障失敗。

量的關(guān)鍵一環(huán)[14]。高超音速助推滑翔導(dǎo)彈的典型代表包括 Yu-75]，其中 2016 年 6 月開始推動的 Yu-74 速度可達(dá)十倍馬赫數(shù)，能突破任何導(dǎo)彈防御系統(tǒng)”的強力武器。除了助推滑翔導(dǎo)彈外目也頗具成果，包括“鋯石”和“匕首”等。2017 年 4 月，速為世界首型高超音速反艦導(dǎo)彈成功試射�！柏笆住彼俣雀歉哌_(dá)，已在 2018 年 5 月由米格-31 戰(zhàn)機攜帶完成作戰(zhàn)任務(wù)試驗。除音速隱身戰(zhàn)略轟炸機 PAK-DA，其可以水平起降且能從太空發(fā)出原型試驗機。

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