飞机舵面损伤的简单自适应重构控制方法

针对飞行控制系统操纵面损伤故障,采用简单自适应控制算法进行重构飞行控制系统（FCS）的设计．在应用简单自适应控制时,尤其是在操纵面发生不同损伤程度故障时,必须确保闭环系统的几乎严格正实性．通过求解线性矩阵不等式的可行解问题,得出并联前馈补偿器,确保闭环系统的稳定性和增广系统的严格正实性．利用某型飞机的侧向飞行控制系统模型,将该方法应用于飞行控制系统的重构设计．仿真结果表明,简单自适应控制方法不仅适合于正常情况下的飞控系统设计,而且对操纵面损伤故障具有较强的适应能力．与常规的线性二次型反馈控制器相比,提出的自适应控制器具有更好的跟踪效果和重构控制效果．     

定量反馈理论在重构飞行器控制中的应用

定量反馈理论(quantitative feedback theory,QFT)作为一种频率域鲁棒控制技术,综合考虑了对象的不确定性范围和对系统的性能指标要求,以定量方式在Nichols图上展开分析与设计,从而保证了设计结果具有稳定鲁棒性;而当某处喷管失效时,作用在飞行器上的控制力矩所受的影响可看作是不确定对象鲁棒性问题的扩展,因此,考虑喷管故障时的重构飞行控制也可用QFT方法进行分析与设计;在讨论QFT原理与应用的基础上,以某飞行器的飞行控制设计为例,对鲁棒和重构飞行控制进行了分析、研究与设计,获得了满意的设计结果。     

基于随机鲁棒设计的高超音速飞行器线性二次型控制

针对高超音速飞行器具有高度非线性、输入输出之间强耦合以及参数不确定等特点,提出了基于随机鲁棒设计的线性二次型控制。这一控制方案基于系统控制需求,利用蒙特卡罗仿真方法建立随机鲁棒目标函数,并通过遗传算法优化控制系统设计参数。该控制方案保证了飞行的纵向稳定性,改善了其控制性能。基于某常规高超音速飞行器纵向模型进行仿真验证,结果表明该方案能够满足系统控制需求且具有强鲁棒性。     

双闭环四旋翼飞行器姿态稳定算法研究

小型四旋翼飞行器系统属于欠驱动、强耦合度的控制系统,在复杂外部空间飞行环境中,需要建立飞行姿态动力学模型,对多变量系统受到自然环境、气流、陀螺效应等的影响进行控制.虽然近年来新型材料、磁惯导技术和控制技术得到快速发展,但仍旧要针对四旋翼飞行器垂直起降、平行飞行等环节,选取模糊自整定PID控制、反演滑模控制、动态逆控制、线性二次高斯控制等方式,进行四旋翼飞行器飞行姿态与抖动的控制.采用自适应反演滑模控制算法,设计自适应高度控制器、补偿器,进行飞行器转动惯量、多变量负载控制,提高系统自我调节和抗干扰能力.     

过驱动飞行器线性参变鲁棒预测跟踪控制策略

针对飞行包线内过驱动飞行器参数线性时变、控制量多增益调度难的问题,基于约束动态控制分配提出了一种主环线性参变鲁棒预测跟踪控制器.采用飞行状态增量以及跟踪指令误差为增广变量,建立了过驱动飞行器的多面体线性参变离散控制模型.引入H∞性能指标,通过参变量转换将无穷时域min-max非线性鲁棒预测控制优化问题约简为线性矩阵不等式凸优化问题.以操纵面偏转跟踪误差和偏转变化量为混合二次型指标,建立了包含执行器动态性能的无约束控制分配模型.进而考虑操纵面的物理约束,设计了级联动态控制分配策略.仿真结果表明,该方法能够生成合理的操纵面控制指令,实现参考指令的有效跟踪.     

飞行器突发故障演化模型设计与仿真

飞行器突发故障是一种随机故障,常对飞行器的安全飞行造成严重威胁。为认识和揭示飞行器突发故障的演化规律,提出利用耗散结构理论对飞行器突发故障的演化机理、演化过程及演化特征进行分析和研究,根据时变熵和时变频带能量分布建立飞行器突发故障演化模型,并以飞机发动机喘振为例进行仿真验证。结果表明,耗散结构熵值的变化和时变频带能量的波动,能够反映飞行器突发故障的演化过程和演化特征。     

神经网络直接逆控制在无人机飞控系统中的应用研究

针对无人机发生故障时系统的非线性耦合特性,提出了一种基于神经网络直接逆控制的飞行控制方法,用于在飞机发生故障时进行控制律重构以恢复对飞机的控制;根据无人机发生故障时非线性运动的特点,确定适当的神经网络结构建立无人机非线性系统的逆系统,并与被控对象串连可以对非线性耦合系统进行线性化解耦,然后引入PID反馈控制进一步提高神经网络逆控制系统的性能;仿真分析表明该方法在无人机发生故障采用传统PID控制失效时,在误差允许范围内可以用来对无人机进行控制。     

小型无人机舵面故障的控制重构设计

小型无人机一般采用单余度设计,舵面故障后重构控制只能根据系统解析冗余进行设计,传统辨识方法复杂而且往往不能满足无人机重构控制的实时性。对由于舵面故障多样性引起的无人机参数大范围跳变进行分析,采用基于线性模型的方法离线重构控制器参数,实际飞行中在线自适应选择控制律,并针对存在大扰动的重构过程设计了动态补偿方案,保证无人机在故障发生后重构完成前的过渡过程的安全性。仿真实验表明,该方法能满足无人机舵面故障时控制律重构的实时性要求,保证过渡过程平稳,而且基于线性模型的控制器设计方法简便,工程实用性强。     

考虑时间特性影响的控制系统可重构性定量评价方法研究

故障诊断时间和控制重构延时严重影响了控制系统的实际重构性能,然而目前缺乏相关研究.基于该现状,本文针对执行器快变偏差故障,重点考虑时间特性影响,结合能量与输入约束,对控制系统可重构性的定量评价问题展开了研究.首先,以基于观测器的故障诊断算法和控制重构方案为例,建立了重构系统模型;然后,以该模型为对象,通过对重构过程中关键时刻的分析,深入研究了系统故障后的动态特性,并综合考虑故障引起的状态偏差、资源浪费以及诊断误差,设计了用于描述故障系统性能下降程度的二次型性能指标;其次,利用Lyapunov稳定性理论,定量求解了性能指标关于时间的一般表达式,进而求得该指标在整个时域中的最优解;最后,基于最优性能指标,引入了可重构度的概念,实现了对控制系统可重构性的理论判定以及定量描述,并通过数值仿真验证了所提可重构性分析方法的有效性.     

控制面故障下的飞机运动建模与重构控制能力分析及设计

对控制面故障影响飞机运动的机理进行了推导,系统地阐述了控制面故障下的飞机运动建模方法。在建模的基础上,对故障系统的可重构性进行研究。分别从线性系统运动和物理运动两个方面,给出了可重构能力的评定方案。推导了误差反向传播的前向神经网络用于控制系统设计时满足Lyapunov稳定性的学习算法,提出了一种新型的采用反向传播神经网络补偿常规控制器的重构飞行控制设计方案。采用非线性飞机运动模型对控制器进行了仿真,验证了重构飞行控制器的性能。     

基于直接自适应控制的重构飞控系统研究

通常，飞控系统重构设计需知系统的故障信息，而使用直接自适应控制技术可在不知道系统故障信息的情况下，对飞控系统操纵面损伤进行重构，并且可使故障飞机很好地跟踪参考模型的输出．采用优化算法设计反馈补偿器以保证故障系统的严格正实性，并利用Lyapunov函数证明重构系统的渐近稳定性．将该方法用于某型飞机侧向控制系统的设计，仿真结果表明，在操纵面严重受损的情况下，飞机仍能保持良好的性能．     

飞机翼面损伤的L1自适应重构控制方法研究

进行飞机翼面损伤下的重构控制对提高飞机的安全可靠性具有重要的意义,根据飞机翼面损伤的特点,提出一种基于L1自适应控制的重构控制方法,首先根据翼面故障对飞机气动特性的影响,建立故障参数模型,然后根据L1自适应控制快速自适应和鲁棒性的特点,选择合适的自适应律和滤波器进行重构控制器的设计,最后根据飞机升降舵翼面损伤情况进行仿真分析,结果表明了本文所用方法可以进行部分翼面损伤的快速重构控制。     

分布交互式实时三维飞行仿真平台的综合设计

针对基于高阶非线性系统数学模型基础上的飞行器控制系统设计难于验证的实际问题,在基于全数字飞机的非线性模型基础上,在分布式局域网的仿真环境下,利用飞行控制律实时算法、面向对象的编程方法、TCP/IP网络通信技术及计算机三维仿真等技术,构建了分布交互式实时三维飞行控制系统仿真平台,研究了该平台的软硬件构成、设计方法及相关的关键技术,并且在网络环境下分别开发了基于增益表和自修复重构的实时仿真算法,成功模拟了飞机在驾驶员在环和全自动飞行的情况,研究结果表明了该仿真平台在飞行仿真训练和教学中的实用性以及验证先进控制律的可移植性.     

基于鲁棒自适应观测器的飞控系统传感器故障隔离与重构

考虑到飞行控制系统闭环反馈及实时的特性,设计了多个鲁棒自适应观测器用于传感器的故障隔离与重构.这样有效的抑制了噪声和模型不确定性,以及闭环传感器输出之间的相互影响.同时对残差进行时序概率比检验,避免了故障误报和漏报.应用某型战斗机地形跟随控制系统进行仿真验证,在保证闭环反馈系统稳定的前提下,实现了传感器的在线故障隔离与重构,达到了预期的效果.     

Set-membership fault detection under noisy environment with application to the detection of abnormal aircraft control surface positions

The paper develops a set membership detection methodology which is applied to the detection of abnormal positions of aircraft control surfaces. Robust and early detection of such abnormal positions is an important issue for early system reconfiguration and overall optimisation of aircraft design. In order to improve fault sensitivity while ensuring a high level of robustness, the method combines a data-driven characterisation of noise and a model-driven approach based on interval prediction. The efficiency of the proposed methodology is illustrated through simulation results obtained based on data recorded in several flight scenarios of a highly representative aircraft benchmark.     

飞机操纵面损伤的自适应容错控制设计

针对飞控系统实时控制和高可靠性的要求,提出一种飞控系统多操纵面损伤的在线容错控制算法.首先建立包含各种常见故障的操纵面参数仿真模型和故障注入仿真机制,其次由于故障的随机性,设计多个并行的在线观测器,对应于每个观测器模型建立一个基于特征结构配置的控制器.最后根据多个观测器和相应的控制器可完成系统在线故障隔离与重构.应用某型飞机横侧向控制系统进行仿真,得到了预期的效果.此方法设计简单合理,适于工程应用.     

基于功能模型的飞控系统安全性设计技术研究

为了确保飞控系统的安全可靠,提出一种基于功能模型的飞控系统安全性设计方法.首先,以需求为牵引,结合飞机的使用场景和性能,实现飞控系统的功能设计;然后,基于安全性设计理念,从系统功能的失效出发实现系统架构的余度设计,同时针对传统方法仅关注系统本身的故障组合分析,存在局限性、滞后性等问题,提出了基于网络化方法开展飞控系统故障推演的功能模型方法;最后,通过应用结果表明了本文所提方法的有效性和可行性.     

推力矢量飞机鲁棒故障检测与辨识和指令滤波容错控制系统设计

针对推力矢量飞机(TVA)在超机动飞行中的舵面故障、执行器故障、参数摄动和外界干扰等问题,提出了一种鲁棒故障检测与辨识和指令滤波容错控制(RFDI–CFFTC)系统设计方法.首先针对TVA故障模型提出了一种基于多观测器的RFDI机制,通过引入自适应律和观测器来补偿参数摄动和外界干扰的影响,实现对舵面故障和执行器故障的准确检测与辨识,同时准确估计故障程度;然后在RFDI的基础上,设计了CFFTC容错控制律,实现包容舵面故障、执行器故障、参数摄动和外界干扰的TVA容错控制,同时改善了传统反步法中的“微分爆炸”问题;最后对RFDI–CFFTC系统的稳定性进行了证明.MATLAB/Simulink仿真验证了本文方法的有效性.     

基于变结构理论的高超音速飞机纵向逆飞行控制

针对高超音速飞机模型的高度非线性、强耦合、参数不确定等特点，提出了基于变结构理论的动态逆控制方法．该方法将逆控制的非线性解耦能力与变结构理论的强鲁棒性能有机结合，确保了高超音速飞机飞行的纵向稳定性，改善了其控制性能．仿真研究表明该控制方法对于高超音速飞机是可行的．