不对称机翼损伤飞机特性分析与增量容错控制

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32501

先进飞行器安全控制技术专刊

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不对称机翼损伤飞机特性分析与增量容错控制

李煜¹, 陈家鑫², 李珂澄², 溫志湧¹, 李霓³, 刘小雄²()

^1.香港理工大学航空及民航工程学系，香港 999077
^2.西北工业大学自动化学院，西安 710072
^3.西北工业大学航空学院，西安 710072

收稿日期:2025-07-01 修回日期:2025-07-23 接受日期:2025-09-03 出版日期:2026-05-15 发布日期:2025-09-18
通讯作者: 刘小雄 E-mail:liuxiaoxiong@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52372398);国家自然科学基金(62073266);航空科学基金(201905053003)

Characteristic analysis of aircraft with asymmetric wing damage and incremental fault-tolerant control

Yu LI¹, Jiaxin CHEN², Kecheng LI², Chi-Yung WEN¹, Ni LI³, Xiaoxiong LIU²()

^1.Department of Aeronautical and Aviation Engineering，The Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong 999077，China
^2.College of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^3.College of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2025-07-01 Revised:2025-07-23 Accepted:2025-09-03 Online:2026-05-15 Published:2025-09-18
Contact: Xiaoxiong LIU E-mail:liuxiaoxiong@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52372398);Aeronautical Science Foundation of China(201905053003)

摘要/Abstract

摘要：

为了提高机翼损伤飞机的安全飞行能力，开展了不对称机翼损伤对飞机气动和动力学特性的影响研究，并提出一种基于快速预定义时间的增量控制方法，以增强损伤飞机的稳定恢复能力和容错控制性能。首先，借助XFlow软件分析了单侧锯齿形和穿孔形机翼损伤对飞机气动特性的影响；其次，根据损伤影响特性，建立了不对称机翼损伤飞机的非线性动力学和六自由度运动学模型，研究了3种典型损伤飞机的配平策略，并根据配平实例探讨了其适用范围；随后，改进了现有预定义时间控制理论，解决了收敛时间和用户设定时间不匹配以及收敛边界不可调的问题，并且进一步提升了闭环系统收敛速度。在此基础上，基于快速预定义时间理论设计了增量式轨迹容错控制器，并通过Lyapunov方法证明了闭环系统在机翼损伤下的稳定性和预定义时间收敛特性；最后，通过数字仿真和实时仿真实验验证了所设计增量轨迹容错控制器的有效性，并通过对比验证了其优越性。

关键词: 不对称机翼损伤, 损伤飞机配平, 快速预定义时间控制, 增量容错轨迹控制, 实时仿真实验

Abstract:

To enhance the flight safety of aircraft with wing damage， this paper investigates the effect of asymmetric wing damage on aerodynamic and dynamic characteristics of aircraft and proposes an incremental fault-tolerant control method based on an improved predefined-time theory， thereby improving stability recovery and fault-tolerant performance. First， the effects of wing-tip truncation and perforation damage on aerodynamic performance are analyzed using CFD software. Second， based on the aerodynamic characteristics of damage effects， a six-degree-of-freedom nonlinear model of the aircraft with asymmetric wing damage is established. Three representative trim strategies are then investigated， and their applicability is discussed through case studies. Subsequently， the existing predefined-time control theory is improved to accelerate closed-loop system convergence and address the mismatch between theoretical convergence time and user-defined time. On this basis， an incremental trajectory fault-tolerant controller is developed for the damaged aircraft， and the stability and predefined-time convergence of the closed-loop system under wing damage are rigorously proven using Lyapunov theory. Finally， the effectiveness and superiority of the proposed incremental trajectory fault-tolerant control scheme are validated through both numerical simulations and real-time simulation experiments.

Key words: asymmetric wing damage, trim strategy of damaged aircraft, fast predefined-time control, incremental trajectory fault-tolerant control, real-time simulation experiments

中图分类号:

V249.1

李煜, 陈家鑫, 李珂澄, 溫志湧, 李霓, 刘小雄. 不对称机翼损伤飞机特性分析与增量容错控制[J]. 航空学报, 2026, 47(9): 532501.

Yu LI, Jiaxin CHEN, Kecheng LI, Chi-Yung WEN, Ni LI, Xiaoxiong LIU. Characteristic analysis of aircraft with asymmetric wing damage and incremental fault-tolerant control[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(9): 532501.

图/表 22

图 1

表 1

不同机翼损伤下飞机质量特性变化

类型	左侧机翼面积损失/%	质量m_d/ $k g$	$I x x$ / $(k g ∙ m 2)$	$I y y /$ $(k g ∙ m 2)$	$I z z$ / $(k g ∙ m 2)$	$I x y$ / $(k g ∙ m 2)$	$I x z$ / $(k g ∙ m 2)$	$I y z$ / $(k g ∙ m 2)$
正常情况	0	18.400	0.52	3.552	4.006	0	0.119 6	0
锯齿形损伤1	3.6	18.379	0.51	3.55	3.993	-0.005	0.119 7	1.88×10^-4
锯齿形损伤2	16.8	18.319	0.486	3.544	3.964	-0.016	0.119 9	6.91×10^-4
锯齿形损伤3	32.9	18.227	0.459	3.537	3.932	-0.029	0.120 3	0.001
锯齿形损伤4	47.5	18.086	0.429	3.531	3.894	-0.042	0.120 7	0.002
孔洞形损伤1	2.3	18.348	0.515	3.551	3.999	-0.002	0.119 7	2.49×10^-4
孔洞形损伤2	2.3	18.363	0.511	3.55	3.995	-0.004	0.119 8	2.66×10^-4
孔洞形损伤3	2.3	18.376	0.509	3.549	3.993	-0.005	0.119 7	2.12×10^-4

表 1

图 2

图 3

图 4

图 5

表2

执行机构限制

执行机构	速率限制/（（°）·s^-1）	位置限制/（°）
$δ e$	［-60，60］	［-25，25］
$δ a$	［-80，80］	［-21.5，21.5］
$δ r$	［-120，120］	［-30，30］

表2

表3

增量轨迹容错控制器参数

组成	参数
FPTF	$m 1, m 3, m 5 = 0.8, n 1, n 3, n 5 = 1.3, T p f = 0.2, l ¯ 1 = 2, l ¯ 3 = 1.2, l ¯ 5 = 3$
容错控制器	$φ = 0.4, ζ = 0.1, m 2 = 0.5, n 2 = 1.8, m 4 = 1, n 4 = 3, m 6 = 0.9, n 6 = 1.5, m 7 = 0.8, n 7 = 2, m 8 = 0.8, n 8 = 2, T p 1 = 1, T p 2 = 1.5, T p 3 = 3.5, T p 4 = 3, T p 5 = 8$

表3

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 27

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