復(fù)雜系統(tǒng)的容錯(cuò)控制技術(shù)及其在近空間飛行器中的應(yīng)用研究.pdf

1、目前，隨著社會(huì)的快速發(fā)展與進(jìn)步，復(fù)雜控制系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，人們對(duì)這類復(fù)雜系統(tǒng)的安全性、可靠性及可維護(hù)性要求越來越高。為了大量的減少災(zāi)難性事故發(fā)生、減少環(huán)境污染、減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失以及保障人民的生命安全，復(fù)雜控制系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)為解決上述問題提供了一條選擇之路。在過去的幾十年里，復(fù)雜控制系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)得到了長足發(fā)展，尤其最近十幾年，伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)和各種先進(jìn)控制算法的快速發(fā)展，許多新方法和

2、新技術(shù)被引入到該研究領(lǐng)域中，大大豐富了復(fù)雜控制系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)的研究內(nèi)容。
　　 近空間飛行器是目前世界上各主要發(fā)達(dá)國家競相研制的一種能夠跨越“空”“天”兩個(gè)不同空域進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行的高超聲速飛行器。這類復(fù)雜的飛行器飛行速度一般都在5馬赫以上，飛行空域?yàn)榫嚯x海平面20-100公里，它按照任務(wù)需求采用垂直火箭助推發(fā)射或者由大型運(yùn)輸機(jī)攜至空中水平發(fā)射，以碳?xì)浠蛘邭錇槿剂鲜褂梦鼩馐匠紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力進(jìn)行高超聲速飛行，預(yù)計(jì)

3、可以在2小時(shí)內(nèi)可到達(dá)全球任意地方。對(duì)于這樣一個(gè)非常復(fù)雜的飛行器而言，在其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，必須考慮故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)的應(yīng)用，以便增強(qiáng)該飛行器的安全性、可靠性及可維護(hù)性。
　　 目前美、俄、法、英、日等航空航天強(qiáng)國對(duì)近空間飛行器高超聲速飛行技術(shù)的研究投入了大量的人力和物力，已取得了大量的研究成果，有些關(guān)鍵性技術(shù)已進(jìn)入工程化驗(yàn)證階段，而我國在這方面的研究則剛剛處于起步階段，國內(nèi)相關(guān)高校和研究所對(duì)近空間飛行器的關(guān)鍵性基礎(chǔ)問題(

4、如材料、動(dòng)力、控制等)正在展開深入的研究，并取得了一定的成果。本研究主要是在基于前人已有的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究近空間飛行器控制系統(tǒng)的容錯(cuò)控制技術(shù)(包含主動(dòng)容錯(cuò)和被動(dòng)容錯(cuò))。本研究內(nèi)容主要分為如下五部分：
　　 第一：針對(duì)近空間飛行器的縱向飛行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，將其在某一平衡點(diǎn)附近線性化，同時(shí)考慮攻角不確定性和外部未知擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)模型的影響，通過采用魯棒控制技術(shù)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生控制增益損失故障情況下的近空間飛行器縱向飛行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一

5、個(gè)魯棒被動(dòng)容錯(cuò)控制器，應(yīng)用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論分析了閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后通過Matlab仿真，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的容錯(cuò)控制器在部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)控制增益損失情況下具有較好的容錯(cuò)能力。
　　 第二：針對(duì)近空間飛行器的復(fù)雜非線性姿態(tài)控制系統(tǒng)，通過選取攻角和角速率變量為模糊規(guī)則的前件變量，將其由一組T-S模糊系統(tǒng)來近似擬合。對(duì)于所建立的模糊系統(tǒng)，充分考慮參數(shù)攝動(dòng)對(duì)系統(tǒng)模型的影響，通過采用魯棒控制技術(shù)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生控制增益部分損失故障情

6、況下的近空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊被動(dòng)容錯(cuò)控制器。在李亞普諾夫穩(wěn)定意義下證明了閉環(huán)控制系統(tǒng)是魯棒漸近可靠的，最后通過仿真比較，驗(yàn)證了提所方法在執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障情況下仍然具有良好的動(dòng)態(tài)特性。
　　 第三：針對(duì)近空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的T-S模糊模型，充分考慮外部擾動(dòng)因素對(duì)被控系統(tǒng)的影響，通過采用廣義擴(kuò)張系統(tǒng)方法，對(duì)傳感器發(fā)生未知時(shí)變故障情況下的近空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)，提出了一種新穎的故障估計(jì)和補(bǔ)償策略。最后通過Mat

7、lab仿真，驗(yàn)證了所提出方法在部分傳感器出現(xiàn)時(shí)變故障情況下的可行性。
　　 第四：針對(duì)近空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的T-S模糊模型，在部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生卡死故障的情況下，通過設(shè)計(jì)了一個(gè)迭代學(xué)習(xí)觀測器，可以實(shí)時(shí)的觀測被控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，一旦某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生卡死故障，即可產(chǎn)生故障補(bǔ)償控制輸入項(xiàng)，在線的減少卡死故障對(duì)被控對(duì)象的影響，從而起到漸近調(diào)節(jié)故障的效果。最后通過Matlab仿真，驗(yàn)證了所提出方法在部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡死故障情況下的有效性