高速变外形飞行器动态事件触发预设性能编队控制

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32499

先进飞行器安全控制技术专刊

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高速变外形飞行器动态事件触发预设性能编队控制

王婕¹^,²(), 杨铭³, 田栢苓⁴, 李博皓⁵, 陈治世⁵

^1.北京科技大学工业过程知识自动化教育部重点实验室，北京 100083 2．北京科技大学自动化学院，北京 100083
^3.北京科技大学智能科学与技术学院，北京 100083 4．天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072 5．北京控制与电子技术研究所，北京 100038

收稿日期:2025-07-01 修回日期:2025-08-11 接受日期:2025-12-29 出版日期:2026-05-15 发布日期:2026-01-15
通讯作者: 王婕 E-mail:wang_jie@ustb.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62473042);国家自然科学基金(62473024);国家重点研发计划(2022YFA1004700)

Dynamic event-triggered prescribed performance formation control for hypersonic morphing vehicles

Jie WANG¹^,²(), Ming YANG³, Bailing TIAN⁴, Bohao LI⁵, Zhishi CHEN⁵

^1.Key Laboratory of Knowledge Automation for Industrial Processes of Ministry of Education，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China
^2.School of Automation and Electrical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China
^3.School of Intelligence Science and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China
^4.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China
^5.Beijing Institute of Control and Electronic Technology，Beijing 100038，China

Received:2025-07-01 Revised:2025-08-11 Accepted:2025-12-29 Online:2026-05-15 Published:2026-01-15
Contact: Jie WANG E-mail:wang_jie@ustb.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62473042);National Key Research and Development Project of China(2022YFA1004700)

摘要/Abstract

摘要：

针对折叠式高速变外形飞行器的安全编队问题，考虑执行器饱和、故障及外部干扰影响，开展分层协同的编队控制方法研究。首先，基于一致性理论，将编队任务划分为位置外环和角度内环。在外环设计指定时间预设性能函数对位置编队误差进行约束，保证编队误差在指定时间内无超调地快速收敛至预设边界，确保编队过程的安全性，提高编队系统的瞬态和稳态性能；在内环基于辅助变量设计抗饱和补偿器克服控制输入饱和的影响，并将故障最小失效因子及干扰上界视为综合扰动，基于tan型障碍李雅普诺夫函数设计自适应控制律，实现对综合扰动上界的实时在线估计，完成对外环参考指令的跟踪与鲁棒稳定。其次，为减少编队过程中控制器的更新次数，设计了含有内部动态变量的动态触发条件，自适应调整触发阈值，在保证控制精度的同时显著降低通信与计算资源消耗。再次，考虑变形飞行阶段对控制器的高性能要求，针对高速飞行器外形变化引起的气动参数变化，分别为变外形情况下的各子系统构建局部控制律，通过李雅普诺夫稳定理论与平均驻留时间方法，完成非平稳变外形切换子系统的整体稳定性分析与证明。最后，通过数值仿真验证了安全编队控制策略的有效性。

关键词: 高速变外形飞行器, 安全编队控制, 预设性能, 动态事件触发, 障碍李雅普诺夫函数, 平均驻留时间, 容错控制

Abstract:

Safe formation control for foldable hypersonic morphing vehicles is investigated in this paper. With actuator saturation， faults， and external disturbances， a two-layer cooperative formation control scheme is established. Firstly， based on consensus theory， the formation task is divided into a position outer loop and an attitude inner loop. In the outer loop， a prescribed-time prescribed-performance function is introduced to constrain the position error， which forces it to reach a preset boundary within the specified time without overshoot. Consequently， both transient and steady-state formation performance is enhanced. Secondly， in the inner loop， an anti-saturation compensator is proposed to mitigate input limits， and the minimum fault effectiveness factor together with the disturbance bound is treated as a composite disturbance. A tan-barrier type Lyapunov function is employed to derive an adaptive law that estimates the bound of composite disturbance online and bounded tracking of the outer-loop command is guaranteed. Furthermore， a dynamic event-triggered mechanism with an internal dynamic variable is proposed. The threshold is adjusted online， which preserves control accuracy while markedly reducing communication and computation loads. Thirdly， to accommodate aerodynamic variations caused by structural morphing， local controllers are allocated to each morphing subsystem， and overall stability of the resulting non-stationary switching system is rigorously proven through Lyapunov stability theory and the average dwell-time condition. The effectiveness of the proposed scheme is verified through numerical simulations.

Key words: hypersonic morphing vehicles, safe formation control, prescribed performance, dynamic event-triggered, barrier Lyapunov function, average dwell time, fault-tolerant control

中图分类号:

V249.1

王婕, 杨铭, 田栢苓, 李博皓, 陈治世. 高速变外形飞行器动态事件触发预设性能编队控制[J]. 航空学报, 2026, 47(9): 532499.

Jie WANG, Ming YANG, Bailing TIAN, Bohao LI, Zhishi CHEN. Dynamic event-triggered prescribed performance formation control for hypersonic morphing vehicles[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(9): 532499.

图/表 24

图 1

表1

升力系数拟合

外形类别	$C L 0$	$C L 1$	$C L 2$	$C L 3$
外形1	-0.400 4	4.896	1.218 0	-0.421 6
外形2	-0.438 0	5.667	1.615 0	-0.437 3
外形3	-0.400 9	4.873	0.331 4	-0.168 2

表1

表2

阻力系数拟合

外形类别	$C D 0$	$C D 1$	$C D 2$	$C D 3$
外形1	0.009 183	4.855	0.940 7	-0.296 4
外形2	0.002 090	5.613	1.001 0	-0.291 1
外形3	3.269 000	4.801	-3.165 0	0.002 2

表2

表3

图 2

表4

飞行器位置初值和期望相对距离

飞行器	$x / m$	$y / m$	$Δ y / m$
飞行器1	-500	30 000	1 000
飞行器2	500	30 000	500
飞行器3	0	30 500	0
飞行器4	0	31 000	-500

表4

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

表5

动态静态触发机制对比

评价指标	式（28）中动态事件触发机制	动态事件触发机制^［29］	静态触发机制	周期检测
平均触发次数	72	350	720	15 000
平均触发间隔 $/ s$	1.28	1.19	1.08	0.01
平均资源节约率 $/ %$	99.28	96.50	92.80	0.00

表5

图 15

图 16

表6

不同状态初值

情形	飞行器1位置 $/ m$	飞行器2位置 $/ m$	飞行器3位置 $/ m$	飞行器4位置 $/ m$
情形1	（-600， 30 000， 40 000）	（500，30 500，40 000）	（0，31 000，40 000）	（200，31 500，40 000）
情形2	（-200，29 800，40 000）	（800，30 400，40 000）	（-900，31 000，40 000）	（400，31 500，40 000）
情形3	（500，30 100，40 000）	（-500，30 700，40 000）	（200，31 300，40 000）	（-700，30 900，40 000）

表6

图17

图18

参考文献 30

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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

外形类别	时间/s	折叠角/（°）	最优升阻比
外形1	0~10	60	2.8
外形2	10~30	30	3.0
外形3	30~150	0	3.5

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Dynamic event-triggered prescribed performance formation control for hypersonic morphing vehicles

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