翼面损伤飞机预设时间增量反步容错控制

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31503

电子电气工程与控制

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翼面损伤飞机预设时间增量反步容错控制

黄山¹, 史静平¹^,², 朱奇¹, 吕永玺¹^,²(), 屈晓波¹^,²

^1.西北工业大学自动化学院，西安 710129
^2.陕西省飞行控制与仿真技术重点实验室，西安 710129

收稿日期:2024-11-06 修回日期:2024-12-05 接受日期:2025-01-03 出版日期:2025-01-07 发布日期:2025-01-07
通讯作者: 吕永玺 E-mail:yongxilyu@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62173277);国家自然科学基金(62373301);陕西省自然科学基金(2023-JC-YB-526);航空科学基金(20220058053002)

Prescribed-time incremental backstepping fault-tolerant control for wing-damaged aircraft

Shan HUANG¹, Jingping SHI¹^,², Qi ZHU¹, Yongxi LYU¹^,²(), Xiaobo QU¹^,²

^1.School of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China
^2.Shaanxi Province Key Laboratory of Flight Control and Simulation Technology，Xi’an 710129，China

Received:2024-11-06 Revised:2024-12-05 Accepted:2025-01-03 Online:2025-01-07 Published:2025-01-07
Contact: Yongxi LYU E-mail:yongxilyu@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62173277);Natural Science Foundation of Shaanxi Province(2023-JC-YB-526);Aeronautical Science Foundation of China(20220058053002)

摘要/Abstract

摘要：

针对飞机发生翼面损伤故障后快速稳定姿态的需求，着重考虑外部干扰和模型不确定性的影响，提出了一种预设时间增量式反步容错控制策略。首先，基于风洞试验数据，分析了飞机发生损伤故障后的气动特性变化，建立了考虑重心变化的姿态角和角速率动力学方程；其次，引入了预设时间滤波器，可以有效避免反步法中的微分爆炸问题，并设计了预设时间增量式反步姿态控制器，实现对姿态角的快速稳定和精确控制；在此基础上，考虑增量式反步法设计过程中忽略的高阶项以及存在的外部扰动和模型不确定性，提出了一种预设时间扰动观测器对其进行准确估计和快速补偿，进一步提高了姿态控制器的抗干扰能力。通过严格的李雅普诺夫稳定性证明，所设计的控制器可以在用户预设的时间内实现对受损飞机姿态角的稳定控制，不受系统初始状态和控制器参数的影响，从而简化了针对收敛时间的调参过程。最后，数字仿真和硬件在环试验验证了所提方法的有效性。

关键词: 翼面损伤, 预设时间, 增量式反步, 扰动观测器, 容错控制

Abstract:

Considering the influence of external interference and model uncertainty， a prescribed-time increment backstepping fault-tolerant control method is proposed to quickly recover the attitude angle of the aircraft when suffering the wing damage fault. First， based on wind tunnel test data， the aerodynamic characteristics of the aircraft after suffering wing-damage fault are analyzed， and the attitude angle and angular rate dynamics equations considering the change of the center of gravity are established. Second， a prescribed-time based filter is introduced， which can effectively avoid the differential explosion problem in the backstepping method. Then， a prescribed-time incremental backstepping attitude controller is designed to achieve rapid stabilization and precise control of the aircraft's attitude angle. On this basis， considering the higher-order infinitesimal terms ignored during the incremental backstepping design as well as the external perturbations and model uncertainties existing in the system， a preset time-perturbation observer is proposed to accurately estimate and quickly compensate for them， which further improves the fault-tolerance of the proposed attitude controller. It is proved by strict Lyapunov stability that the proposed controller can achieve stable control of the attitude angle within the user-defined time， which is independent of the initial state of the system and the parameters of the proposed controller， and simplifies the process of adjusting the parameters against the convergence time. Finally， numerical simulations verify the effectiveness of the proposed method.

Key words: wing-damaged aircraft, prescribed-time, incremental backstepping, perturbation observer, fault-tolerant control

中图分类号:

V249

黄山, 史静平, 朱奇, 吕永玺, 屈晓波. 翼面损伤飞机预设时间增量反步容错控制[J]. 航空学报, 2025, 46(15): 331503.

Shan HUANG, Jingping SHI, Qi ZHU, Yongxi LYU, Xiaobo QU. Prescribed-time incremental backstepping fault-tolerant control for wing-damaged aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(15): 331503.

图/表 18

图1

表 1

损伤飞机的参数变化

参数	数值
质量 $Δ m$ /kg	-1.7
展长 $Δ b$ /m	-0.438
机翼面积 $Δ s$ /m²	-0.198
纵向重心位置Δx/m	0.27
横向重心位置Δy/m	-0.32
立向重心位置Δz/m	-0.01

表 1

图2

图3

表 2

本文提出的算法及其参数

算法	参数
滤波器式（6）	$κ 1 = 0.2$ ， $T 1 = 0.2$ ， $n 1 = 1.8$
控制器式（9a）	$κ 2 = 1.5$ ， $κ 3 = 3$ ， $T 2 = 1.2$ ， $n 2 = 1.2$
控制器式（9b）	$κ 4 = 1.2$ ， $κ 5 = 10$ ， $T 3 = 0.3$ ， $n 3 = 1.1$
观测器式（20）	$κ 6 = 1.5$ ， $κ 7 = 3$ ， $T 4 = 0.4$ ， $n 5 = 1.6$
观测器式（21）	$κ 8 = 1.5$ ， $κ 9 = 3$ ， $T 5 = 0.4$ ， $n 6 = 1.6$

表 2

图4

图5

图6

图7

图8

表3

对比算法及其参数

算法	控制参数
对比算法1	$c 1 = d i a g 2.5,2.5,2.5$ ， $c 2 = d i a g 10,10,10$
对比算法2	$c 1 = d i a g 2.5,2, 2.5$ ， $c 2 = d i a g 9,9, 9$

表3

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图A1

参考文献 33

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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