高超声速飞行器快速终端滑模保性能容错控制

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28476

电子电气工程与控制

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

高超声速飞行器快速终端滑模保性能容错控制

王忠森¹, 廖宇新²(), 魏才盛², 戴婷¹

^1.中南大学航空航天技术研究院，长沙 410083
^2.中南大学自动化学院，长沙 410083

收稿日期:2023-01-05 修回日期:2023-02-01 接受日期:2023-03-07 出版日期:2023-12-25 发布日期:2023-03-17
通讯作者: 廖宇新 E-mail:liaoyuxin@csu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金青年基金项目(62003372);湖南省自然科学基金青年基金项目(2022JJ40633);装备预研教育部联合基金(8091B032134)

Fast terminal sliding mode fault⁃tolerant control of hypersonic vehicle with guaranteed performance

Zhongsen WANG¹, Yuxin LIAO²(), Caisheng WEI², Ting DAI¹

^1.Research Institute of Aerospace Technology，Central South University，Changsha 410083，China
^2.School of Automation，Central South University，Changsha 410083，China

Received:2023-01-05 Revised:2023-02-01 Accepted:2023-03-07 Online:2023-12-25 Published:2023-03-17
Contact: Yuxin LIAO E-mail:liaoyuxin@csu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62003372);Natural Science Foundation of Hunan Province(2022JJ40633);Joint Fund of the Ministry of Education for Equipment Pre-research(8091B032134)

摘要/Abstract

摘要：

针对高超声速飞行器在模型不确定、外部干扰和执行机构故障影响下的姿态控制问题，提出了一种考虑预设性能的非奇异快速终端滑模容错控制方法。首先，基于姿态运动模型和执行机构故障模型建立了面向容错控制的模型，并利用预设性能函数对姿态跟踪误差系统的瞬态和稳态性能进行定量化设计；其次，设计了新型滑模干扰观测器对由模型不确定、外部干扰和执行机构故障组成的复合干扰进行精确估计；然后，以复合干扰的估计值作为补偿设计了非奇异快速终端滑模容错控制器，并利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性；最后，仿真结果验证了该方法具有较好的容错性能。

关键词: 高超声速飞行器, 姿态容错控制, 滑模干扰观测器, 非奇异快速终端滑模控制, 预设性能控制

Abstract:

Aiming at the attitude control problem of hypersonic vehicle under the influence of model uncertainties， external disturbances and actuator faults， a non-singular fast terminal sliding mode fault-tolerant control method considering prescribed performance is proposed. Firstly， a fault-tolerant control model is established based on the attitude motion model and the actuator faults model， and the transient and steady-state performance of the attitude tracking error system is quantitatively designed by using the prescribed performance function. Secondly， a novel sliding mode disturbance observer is designed to accurately estimate the compound disturbances composed of model uncertainties， external disturbances and actuator faults. Then， a non-singular fast terminal sliding mode fault-tolerant controller is designed with the estimated value of the compound disturbances as compensation， and the stability of the closed-loop system is proved by the Lyapunov stability theory. Finally， simulation results show that the proposed method has good fault tolerance performance.

Key words: hypersonic flight vehicle, attitude fault-tolerant control, sliding mode disturbance observer, non-singular fast terminal sliding mode control, prescribed performance control

中图分类号:

V448.2

王忠森, 廖宇新, 魏才盛, 戴婷. 高超声速飞行器快速终端滑模保性能容错控制[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 328476-328476.

Zhongsen WANG, Yuxin LIAO, Caisheng WEI, Ting DAI. Fast terminal sliding mode fault⁃tolerant control of hypersonic vehicle with guaranteed performance[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(24): 328476-328476.

图/表 23

图 1

图 2

图 3

图 4

表 1

执行机构故障

实际舵	偏置故障 $u ¯ j j = 1,2, 3,4$	增益故障 $Λ j$
1号舵	$0 t ≤ 3 s 0.01 s i n 0.2 t - 3 t > 3 s$	$1 t ≤ 10 s 0.8 t > 10 s$
2号舵	$0 t ≤ 3 s 0.04 s i n 0.2 t - 3 t > 3 s$	$1 t ≤ 10 s 0.8 t > 10 s$
3号舵	$0 t ≤ 3 s 0.01 s i n 0.2 t - 3 t > 3 s$	$1 t ≤ 10 s 0.8 t > 10 s$
4号舵	$0 t ≤ 3 s 0.04 s i n 0.2 t - 3 t > 3 s$	$1 t ≤ 10 s 0.8 t > 10 s$

表 1

表 2

本文方法的参数

参数来源	参数设置
干扰观测器	$η 0 = 0.1, η 1 = 0.5$
控制器	$α 1 = 0.99, β 1 = 10, k 1 = 4, k 2 = 2, α 2 = 0.7, β 2 = 1.2, k 3 = 0.5, k 4 = 0.8 ξ 1 = ξ 2 = ξ 3 = ξ 4 = [0.01 0.01 0.01] T, l i = 2, T i = 5, ρ 0 = [10 ° 1.5 ° 25 °] T ρ ∞ = [0.08 ° 0.08 ° 0.08 °] T$

表 2

表 3

对比方法1的参数

参数来源	参数设置
干扰观测器	$l 1 = l 2 = 4, l 3 = 5, μ = 3$
控制器	$κ = 1, m = 11, n = 9, η 1 = 50, η 2 = 5, ξ = 0.99$

表 3

表 4

对比方法2的参数

参数来源	参数设置
干扰观测器	$T u = 0.1, ϑ 1 = 4.5, ϑ 2 = 9.9, μ 1 = 0.3, μ 2 = 3, α e = 0.6$
一阶滤波器	$τ u = 0.001$
控制器	$k u 1 = 15, k u 21 = 1 200, k u 22 = 750, k u 23 = 1 500, a u 1 = 2, a u 2 = 0.1$

表 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

参考文献 28

1	宗群，曾凡琳，张希彬. 高超声速飞行器建模与模型验证［M］. 北京：科学出版社， 2016： 8-15.
	ZONG Q， ZENG F L， ZHANG X B. Modeling and model verification of hypersonic vehicle［M］. Beijing： Science Press， 2016： 8-15 （in Chinese）.
2	XU B， SHI Z K. An overview on flight dynamics and control approaches for hypersonic vehicles［J］. Science China Information Sciences， 2015， 58（7）： 1-19.
3	HU K Y， YANG C X， SUN W J. Adaptive sliding mode fault compensation for sensor faults of variable structure hypersonic vehicle［J］. Sensors， 2022， 22（4）： 1523.
4	WANG F， HUA C C， ZONG Q. Novel smooth sliding mode attitude control design for constrained re-entry vehicle based on disturbance observer［J］. International Journal of Systems Science， 2019， 50（1）： 75-90.
5	TIAN B L， LU H C， ZUO Z Y， et al. Multivariable uniform finite-time output feedback reentry attitude control for RLV with mismatched disturbance［J］. Journal of the Franklin Institute， 2018， 355（8）： 3470-3487.
6	WEI C Z， WANG M Z， LU B G， et al. Accelerated Landweber iteration based control allocation for fault tolerant control of reusable launch vehicle［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2022， 35（2）： 175-184.
7	SUN J G， SONG S M， PENG-LI， et al. Adaptive anti- saturation fault-tolerant control of hypersonic vehicle with actuator faults［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2019， 233（6）： 2066-2083.
8	YANG Z S， MAO Q， DOU L Q， et al. Composite design of disturbance observer and reentry attitude controller： An enhanced finite-time technique for aeroservoelastic reusable launch vehicles［J］. International Journal of Control， Automation and Systems， 2022， 20（8）： 2459-2473.
9	LI T， JIANG Z Y， YANG H B， et al. Reconfigurable fault-tolerant control for supersonic missiles with actuator failures under actuation redundancy［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2020， 33（1）： 324-338.
10	ZHAO J， JIANG B， XIE F， et al. Adaptive sliding mode backstepping control for near space vehicles considering engine faults［J］. Journal of Systems Engineering and Electronics， 2018， 29（2）： 343-351.
11	WANG X H， TAN C P. Fault-tolerant spacecraft attitude control under actuator saturation and without angular velocity［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control， 2019， 29（18）： 6483-6506.
12	ZHAI R Y， QI R Y， ZHANG J R. Compound fault-tolerant attitude control for hypersonic vehicle with reaction control systems in reentry phase［J］. ISA Transactions， 2019， 90： 123-137.
13	常晶，周军. 一种基于时变干扰观测器的高超声速飞行器容错控制策略设计［J］. 控制与决策， 2018， 33（10）： 1893-1900.
	CHANG J， ZHOU J. A FTC scheme for hypersonic vehicle based on adaptive disturbance observer［J］. Control and Decision， 2018， 33（10）： 1893-1900 （in Chinese）.
14	刘武，吴云燕，刘玮，等. 考虑未知扰动的RLV再入鲁棒容错姿态控制［J］. 航空学报， 2023， 44（S1）： 169-176.
	LIU W， WU Y Y， LIU W， et al. Re-entry robust fault tolerant attitude control for RLVs considering unknown disturbances［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（S1）： 169-176 （in Chinese）.
15	LIANG X H， WANG Q， HU C H， et al. Fixed-time observer based fault tolerant attitude control for reusable launch vehicle with actuator faults［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 107： 106314.
16	MENG Y Z， JIANG B， QI R Y， et al. Fault-tolerant anti-windup control for hypersonic vehicles in reentry based on ISMDO［J］. Journal of the Franklin Institute， 2018， 355（5）： 2067-2090.
17	马广富，朱庆华，王鹏宇，等. 基于终端滑模的航天器自适应预设性能姿态跟踪控制［J］. 航空学报， 2018， 39（6）： 321763.
	MA G F， ZHU Q H， WANG P Y， et al. Adaptive prescribed performance attitude tracking control for spacecraft via terminal sliding-mode technique［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（6）： 321763 （in Chinese）.
18	殷泽阳，罗建军，魏才盛，等. 非合作航天器姿态接管无辨识预设性能控制［J］. 航空学报， 2018， 39（11）： 322022.
	YIN Z Y， LUO J J， WEI C S， et al. Estimation-free and prescribed performance control of attitude takeover for non-cooperative spacecraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（11）： 322022 （in Chinese）.
19	ZHAO S Y， LI X B， BU X W， et al. Prescribed performance tracking control for hypersonic flight vehicles with model uncertainties［J］. International Journal of Aerospace Engineering， 2019， 2019： 1-11.
20	李小兵，赵思源，卜祥伟，等. 高超声速飞行器保预设性能的反演控制方法［J］. 国防科技大学学报， 2020， 42（1）： 73-83.
	LI X B， ZHAO S Y， BU X W， et al. Backstepping control method for hypersonic vehicles to guarantee prescribed performance［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2020， 42（1）： 73-83 （in Chinese）.
21	HU Q L， SHAO X D， GUO L. Adaptive fault-tolerant attitude tracking control of spacecraft with prescribed performance［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2018， 23（1）： 331-341.
22	WU T C， WANG H L， YU Y， et al. Hierarchical fault-tolerant control for over-actuated hypersonic reentry vehicles［J］. Aerospace Science and Technology， 2021， 119： 107134.
23	TIAN B L， FAN W R， SU R， et al. Real-time trajectory and attitude coordination control for reusable launch vehicle in reentry phase［J］. IEEE Transactions on Industri al Electronics， 2015， 62（3）： 1639-1650.
24	ZHANG L， WEI C Z， WU R， et al. Adaptive fault-tolerant control for a VTVL reusable launch vehicle［J］. Acta Astronautica， 2019， 159： 362-370.
25	JIANG B Y， HU Q L， FRISWELL M I. Fixed-time rendezvous control of spacecraft with a tumbling target under loss of actuator effectiveness［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2016， 52（4）： 1576-1586.
26	YANG P， SU Y X. Proximate fixed-time prescribed performance tracking control of uncertain robot manipulators［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2022， 27（5）： 3275-3285.
27	TIAN B L， LI Z Y， ZHAO X P， et al. Adaptive multivariable reentry attitude control of RLV with prescribed performance［J］. IEEE Transactions on Systems， Man， and Cybernetics： Systems， 2022， 52（10）： 6674-6678.
28	李惠峰，肖进，林平. 基于参数化外形的通用大气飞行器建模与分析［J］. 宇航学报， 2011， 32（11）： 2305-2311.
	LI H F， XIAO J， LIN P. Modeling and analyzing of common aero vehicle with parametric configuration［J］. Journal of Astronautics， 2011， 32（11）： 2305-2311 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	杨博, 于贺, 樊子辰. 微观能量分析气动光学效应时变误差的方法[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 128703-128703.
[2]	刘明, 范睿超, 邱实, 曹喜滨. 基于全驱系统理论的航天器姿轨预设性能控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628313-628313.
[3]	殷泽阳, 邢友朋, 韩飞, 魏才盛, 廖宇新. 编队航天器协同绕飞非合作目标的全驱预设性能控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628904-628904.
[4]	马悦萌, 刘明, 杨丁, 杨明, 张敏刚, 葛亚杰. 热约束下近空间飞行器预设性能抗噪控制[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729390-729390.
[5]	倪炜霖, 王永海, 徐聪, 赤丰华, 梁海朝. 基于强化学习的高超飞行器协同博弈制导方法[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729400-729400.
[6]	马平, 张宁, 石安华, 于哲峰, 梁世昌, 黄洁. 典型微波波段信号在模拟等离子体中的传输特性[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729476-729476.
[7]	陈浩宇, 王彬文, 宋巧治, 李晓东. 热颤振地面模拟试验技术[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 227295-227295.
[8]	韩荣, 刘伟, 杨小亮. 高超声速飞行器自适应减阻盘动态减阻机理[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126633-126633.
[9]	王梓伊, 张伟伟, 刘磊, 杨肖峰. 适用于复杂流动的热气动弹性降阶建模方法[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126807-126807.
[10]	张亮, 李丹钰, 崔乃刚, 李源. 垂直起降可重复使用运载火箭全剖面飞行预设性能控制[J]. 航空学报, 2023, 44(23): 628103-628103.
[11]	闫循良, 王培臣, 王舒眉, 杨宇轩, 王宽. 基于混沌多项式的RBCC飞行器上升段鲁棒轨迹快速优化[J]. 航空学报, 2023, 44(21): 528349-528349.
[12]	孟晓, 马丹, 林宏军, 陈超. 航空发动机燃烧室热声不稳定的预设性能控制[J]. 航空学报, 2023, 44(17): 128182-128182.
[13]	李昊键, 刘远贺, 梁彦刚, 黎克波. 考虑视场角约束的碰撞角控制预设性能制导律[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528764-528764.
[14]	孙志坤, 史志伟, 张伟麟, 李铮, 孙琪杰. 等离子体激励器对高速翼型升阻特性的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 23-39.
[15]	郑辉, 邱雷, 袁慎芳, 杨晓飞, 卢绪龙, 薛兆鹏. C/C热防护结构高温气流损伤导波监测实验方法[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 225659-225659.

高超声速飞行器快速终端滑模保性能容错控制

Fast terminal sliding mode fault⁃tolerant control of hypersonic vehicle with guaranteed performance

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 23

参考文献 28

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价