不对称机翼损伤飞机特性分析与增量容错控制
收稿日期: 2025-07-01
修回日期: 2025-07-23
录用日期: 2025-09-03
网络出版日期: 2025-09-18
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
Received date: 2025-07-01
Revised date: 2025-07-23
Accepted date: 2025-09-03
Online published: 2025-09-18
Supported by
National Natural Science Foundation of China(52372398);Aeronautical Science Foundation of China(201905053003)
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。
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 -532501 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2025.32501
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.
| [1] | LI Y， WEN C Y， LIU X X， et al. Prescribed-time fault-tolerant flight control for aircraft subject to structural damage［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2025， 61（2）： 1848-1859. |
| [2] | SHAH G H. Aerodynamic effects and modeling of damage to transport aircraft［C］∥AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit. Reston： AIAA， 2008. |
| [3] | GENG Y S， PANG B， LIU Y S， et al. Aerodynamic performance analysis of different damaged types of a turboprop wing［J］. Journal of Mechanics， 2025， 41： 192-202. |
| [4] | KRZYSIAK A. Wind tunnel tests of damage to the tu-154M aircraft wing［J］. Journal of Aerospace Engineering， 2019， 32（6）： 04019083. |
| [5] | BACON B， GREGORY I. General equations of motion for a damaged asymmetric aircraft［C］∥AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit. Reston： AIAA， 2007. |
| [6] | LI Y， LIU X X， MING R C， et al. A cascaded nonlinear fault-tolerant control for fixed-wing aircraft with wing asymmetric damage［J］. ISA Transactions， 2023， 136： 503-524. |
| [7] | GUO J X， TAO G， LIU Y. Multivariable adaptive control of NASA generic transport aircraft model with damage［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2011， 34（5）： 1495-1506. |
| [8] | ZHANG Y M， JIANG J. Bibliographical review on reconfigurable fault-tolerant control systems［J］. Annual Reviews in Control， 2008， 32（2）： 229-252. |
| [9] | DU Z H， LYU Y X， ZHAI X H， et al. Fault-tolerant control for fixed-wing aircraft with asymmetric damage： Model， method， and experiment［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2025， 48（5）： 1004-1024. |
| [10] | ZHANG J， YANG X K， YANG L Y. Virtual-command-based model reference adaptive control for abrupt structurally damaged aircraft［J］. Aerospace Science and Technology， 2018， 78： 452-460. |
| [11] | 王乾， 李清， 程农， 等. 一种针对结构损伤的非线性容错飞行控制方法［J］. 航空学报， 2016， 37（2）： 637-647. |
| WANG Q， LI Q， CHENG N， et al. A nonlinear fault tolerant flight control method against structural damage［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2016， 37（2）： 637-647 （in Chinese）. | |
| [12] | SIEBERLING S， CHU Q P， MULDER J A. Robust flight control using incremental nonlinear dynamic inversion and angular acceleration prediction［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2010， 33（6）： 1732-1742. |
| [13] | 党小为， 唐鹏， 孙洪强， 等. 基于角加速度估计的非线性增量动态逆控制及试飞［J］. 航空学报， 2020， 41（4）： 323534. |
| DANG X W， TANG P， SUN H Q， et al. Incremental nonlinear dynamic inversion control and flight test based on angular acceleration estimation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（4）： 323534 （in Chinese）. | |
| [14] | 李煜， 陈通文， 王志刚， 等. 基于预定义时间的直接升力着舰增量控制［J］. 航空学报， 2025， 46（13）： 531163. |
| LI Y， CHEN T W， WANG Z G， et al. Incremental control of direct lift landing based on predefined-time theory［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2025， 46（13）： 531163 （in Chinese）. | |
| [15] | 邹雨春， 陶呈纲， 甄子洋， 等. 基于直接力的飞翼布局舰载机精确着舰控制［J］. 航空学报， 2025， 46（13）： 531422. |
| ZOU Y C， TAO C G， ZHEN Z Y， et al. Precision landing control based on direct force for flying-wing carrier-based aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2025， 46（13）： 531422 （in Chinese）. | |
| [16] | WANG X R， VAN KAMPEN E J， CHU Q P， et al. Stability analysis for incremental nonlinear dynamic inversion control［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2019， 42（5）： 1116-1129. |
| [17] | WANG X， VAN KAMPEN E， CHU Q P， et al. Flexible aircraft gust load alleviation with incremental nonlinear dynamic inversion［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2019， 42（7）： 1519-1536. |
| [18] | WANG X R， SUN S H， VAN KAMPEN E J， et al. Quadrotor fault tolerant incremental sliding mode control driven by sliding mode disturbance observers［J］. Aerospace Science and Technology， 2019， 87： 417-430. |
| [19] | LI Y， LIU K， WEN C Y， et al. Fast fixed-time incremental backstepping fault-tolerant control for aircraft with asymmetric wing damage［J］. Aerospace Science and Technology， 2025， 164： 110405. |
| [20] | LIU K， WANG Y， LI Y， et al. Velocity-free adaptive neural-fuzzy predefined-time attitude control for spacecraft［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2025， 61（3）： 6354-6372. |
| [21] | WU C H， YAN J G， SHEN J H， et al. Predefined-time attitude stabilization of receiver aircraft in aerial refueling［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅱ： Express Briefs， 2021， 68（10）： 3321-3325. |
| [22] | WANG Y X， WANG H L， LIU Y H， et al. Modeling and predefined-time anti-disturbance control for the aerial refueling phase of receiver aircraft［J］. Applied Mathematical Modelling， 2022， 112： 540-559. |
| [23] | YU X， LIU Z X， ZHANG Y M. Fault-tolerant flight control design with finite-time adaptation under actuator stuck failures［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2017， 25（4）： 1431-1440. |
| [24] | LI Y， WANG T Q， LIU X X， et al. Predefined-time active fault-tolerant control of transport aircraft subject to control surface failures［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2025， 61（3）： 5731-5744. |
| [25] | LIU K， YANG W Y， JIAO L， et al. Fast fixed-time distributed neural formation control-based disturbance observer for multiple quadrotor UAVs under unknown disturbances［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2025， 61（5）： 13137-13155. |
| [26] | 吴慈航， 闫建国， 钱先云， 等. 受油机指定时间姿态稳定控制［J］. 航空学报， 2022， 43（2）： 324996. |
| WU C H， YAN J G， QIAN X Y， et al. Predefined-time attitude stabilization control of receiver aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（2）： 324996 （in Chinese）. | |
| [27] | SMEUR E J J， CHU Q P， DE CROON G C H E. Adaptive incremental nonlinear dynamic inversion for attitude control of micro air vehicles［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2015， 39（3）： 450-461. |
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