[發明專利]一種考慮執行器輸入約束的高超聲速飛行器自適應容錯控制方法

有效

• 申請號: 201811120615.2
• 申請日: 2018-09-26
• 公開（公告）號: CN108919651B
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 王陳亮;李梓明;楊晨
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗;鄧治平

1.一種考慮執行器輸入約束的高超聲速飛行器自適應容錯控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

第一步，根據高超聲速飛行器的動力學微分方程，建立一種標準的高超聲速飛行器縱向動力學模型并將其分解為速度子系統，高度子系統及姿態子系統；

第二步，基于第一步建立的高超聲速飛行器縱向動力學模型，建立具有一般性的飛行器執行器故障模型，并通過構建平滑函數來補償執行器的輸入約束特性；

第三步，在第一步和第二步的基礎上，分別通過動態逆、反步法以及滑模控制法對速度子系統、高度子系統及姿態子系統，設計自適應補償控制器以及自適應律；

所述第一步中，建立一種標準的高超聲速飛行器縱向動力學模型并將其分解為速度，高度以及姿態子系統如下：

(1)建立一種標準的高超聲速飛行器縱向動力學模型

其中V，h，γ，α和q分別代表速度，高度，航跡角，攻角和俯仰率；和分別代表速度，高度，航跡角，攻角和俯仰率對于時間t的一階導數；m和I_yy分別代表飛行器質量和慣性力矩；T,D,L和M_yy分別表示推力，阻力，升力和俯仰力矩；g為當地重力加速度；

(2)將(1)中的縱向動力學模型分解為速度子系統，高度子系統以及姿態子系統如下：

(a)速度子系統：

(b)高度子系統：

(c)姿態子系統：

所述第二步，建立具有一般性的飛行器執行器故障模型并通過構建平滑函數來補償執行器的輸入約束特性如下：

(1)建立具有一般性的飛行器執行器故障模型:

ξ_i＝β_i(t)v_i(t)+f_i(t),i＝1,2,3,

v₁(t)，v₂(t)，v₃(t)分別表示執行器1，執行器2，執行器3的控制信號，ξ_i表示控制信號的實際效果，β_i(t)表示執行器i的有效性，即執行器健康指數，滿足0≤β_i(t)≤1；f_i(t)表示執行器i受到的加性故障；

(2)通過構建平滑函數來補償執行器的輸入約束特性：

W_i(ξ_i)為補償執行器i的輸入約束特性的平滑函數，該平滑函數中對于任意變量y有其中和分別為執行器i的輸入約束上界和下界，δ_i(t)＝u_i(t)-W_i(ξ_i)為補償誤差；u_i(t)為執行器i的實際輸出，其值為：

其中為考慮執行器約束的等效乘性故障系數，β_i(t)表示執行器i的有效性，即執行器健康指數，為考慮執行器約束的等效加性故障系數，為W_i(ξ_i)對a_iξ_i的偏導(0＜a_i＜1)，W_i(0)為W_i(ξ_i)在ξ_i為0時的值；

所述第三步中，分別通過動態逆、反步法以及滑模控制法對三個子系統設計自適應補償控制器以及自適應律如下：

(1)通過動態逆方法設計速度子系統的控制器以及自適應律：

定義跟蹤誤差z₁＝V-V_d，其中V_d為速度V的指令信號，通過速度子系統的模型，得到z₁的導數滿足如下關系：

其中S為飛行器的機翼面積，為z₁對于時間t的一階導數，為飛行器所處環境的動壓，已知函數G₁(t)滿足：為氣動參數，A₁(t)為考慮執行器1約束的等效乘性故障系數，Θ₁為未知8維實向量，Δ₁(t)為有界的未知的5維實向量，表示Δ₁(t)的轉置，φ₁為已知的8維實向量，為已知的5維實向量；

設計出控制律如下：

其中為中間控制變量，為Nussbuam函數，μ₁為觸發因子，為μ₁對于時間t的一階導數；

自適應律為：

控制律以及自適應律中：Θ₁為未知8維實向量，B₁為未知實向量，其中和分別為Θ₁和B₁的估計值，和分別為Θ₁和B₁的估計誤差，為對于時間t的一階導數，為對于時間t的一階導數；為動壓，l₁，ρ₁，λ₁，κ₁均為常數，Γ₁為8×8的定值實矩陣，p₁，F₁為輔助函數；

(2)通過反步法設計高度子系統的控制器以及自適應律：

定義跟蹤誤差z₂＝h-h_d，z₃＝γ-γ_d，其中h_d為高度h的指令信號，其中γ_d為高度γ的鎮定函數，z₂，z₃的導數滿足如下關系：

其中為z₂對于時間t的一階導數，為z₃對于時間t的一階導數，為指令信號h_d對于時間t的一階導數，已知函數G₂(t)滿足：為氣動參數，Θ₂為未知7維實向量，Δ₂(t)為有界的未知的9維實向量，φ₂為已知的7維實向量，為已知的9維實向量；

對于第二個狀態量設計鎮定函數如下：

設計控制律如下：

其中

為Nussbuam函數，μ₂為觸發因子，為μ₂對于時間t的一階導數；

其中為中間控制變量，為的范數；

自適應律為：

控制律以及自適應律中：Θ₂為未知7維實向量，B₂為未知實向量，其中和分別為Θ₂和B₂的估計值，和分別為Θ₂和B₂的估計誤差，為對于時間t的一階導數，為對于時間t的一階導數；為動壓，l₂，l₃，ρ₂，λ₂，λ₃，κ₂均為常數，Γ₂為7×7的定值實矩陣，p₂，F₂，p₃，F₃為輔助函數；

(3)通過滑模控制法設計姿態子系統的控制器以及自適應律：

定義跟蹤誤差z₄＝α-α_d，其中α_d為攻角α的指令信號，定義滑模面l₅為常數，其中為z₄對于時間t的一階導數，s的導數滿足如下關系：

已知函數G₃(t)滿足：為平均氣動弦長，為氣動參數，Θ₃為未知5維實向量，Δ₃(t)為有界的未知的9維實向量，φ₃為已知的5維實向量，為已知的9維實向量；

設計出控制律如下：

其中為中間控制變量，為Nussbuam函數，μ₃為觸發因子，為μ₃對于時間t的一階導數；

自適應律為：

控制律以及自適應律中：Θ₃為未知5維實向量，B₃為未知實向量，其中和分別為Θ₃和B₃的估計值，和分別為Θ₃和B₃的估計誤差，為對于時間t的一階導數，為對于時間t的一階導數；l₄，ρ₃，λ₄，κ₃均為常數，φ₃為已知的5維實向量，為已知的9維實向量，為的范數，Γ₃為5×5的定值實矩陣，p₄，F₄為輔助函數。