高速变外形飞行器动态事件触发预设性能编队控制

王婕; 杨铭; 田栢苓; 李博皓; 陈治世

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32499

航空学报 >

2026 , Vol. 47 >Issue 9: 532499 - 532499

DOI: https://doi.org/10.7527/S1000-6893.2025.32499

先进飞行器安全控制技术专刊

高速变外形飞行器动态事件触发预设性能编队控制

王婕 ,
杨铭 ,
田栢苓 ,
李博皓 ,
陈治世

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^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

E-mail： wang_jie@ustb.edu.cn

收稿日期: 2025-07-01

修回日期: 2025-08-11

录用日期: 2025-12-29

网络出版日期: 2026-01-15

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)

收起

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

Jie WANG ,
Ming YANG ,
Bailing TIAN ,
Bohao LI ,
Zhishi CHEN

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^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

E-mail： wang_jie@ustb.edu.cn

Received date: 2025-07-01

Revised date: 2025-08-11

Accepted date: 2025-12-29

Online published: 2026-01-15

Supported by

National Natural Science Foundation of China(62473042);National Key Research and Development Project of China(2022YFA1004700)

Fold

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

本文引用格式

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 -532499 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2025.32499

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

参考文献

[1]	朱继宏，韩嘉诚，谷小军，等. 跨域飞行器结构与变构型设计技术进展与挑战［J］. 航空学报， 2025， 46（18）：431686.
	ZHU J H， HAN J C， GU X J，et al. Advances and challenges in cross-domain vehicle structures and morphing configuration design technologies［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2025， 46（18）： 431686 （in Chinese）.
[2]	MAGALH?ES J M JR， HALILA G L O， KIM Y， et al. Intelligent data-driven aerodynamic analysis and optimization of morphing configurations［J］. Aerospace Science and Technology， 2022， 121： 107388.
[3]	BAO C Y， WANG P， HE R Z， et al. Observer-based optimal control method combination with event-triggered strategy for hypersonic morphing vehicle［J］. Aerospace Science and Technology， 2023， 136： 108219.
[4]	CHEN H L， WANG P， TANG G J. Fuzzy disturbance observer-based fixed-time sliding mode control for hypersonic morphing vehicles with uncertainties［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2023， 59（4）： 3521-3530.
[5]	张豪，王鹏，汤国建，等. 高超声速变外形飞行器事件触发有限时间控制［J］. 航空学报， 2023， 44（15）： 528494.
	ZHANG H， WANG P， TANG G J， et al. Event-triggered fast finite-time control for hypersonic morphing vehicles［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（15）： 528494 （in Chinese）.
[6]	YIN T T， GU Z， XIE X P. Observer-based event-triggered sliding mode control for secure formation tracking of multi-UAV systems［J］. IEEE Transactions on Network Science and Engineering， 2023， 10（2）： 887-898.
[7]	ZE K R， WANG W， LIU K X， et al. Time-varying formation planning and distributed control for multiple UAVs in clutter environment［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2024， 71（9）： 11305-11315.
[8]	JIA T H， YAN H C， ZHANG H， et al. Adaptive anti-disturbance performance guaranteed formation tracking control for quadrotor UAVs via aperiodic signal updating［J］. IEEE Transactions on Systems， Man， and Cybernetics： Systems， 2024， 54（9）： 5212-5223.
[9]	LV M L， DE SCHUTTER B， BALDI S. Nonrecursive control for formation-containment of HFV swarms with dynamic event-triggered communication［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2023， 19（3）： 3188-3197.
[10]	ZHANG Y， WANG X， TANG S J. A globally fixed-time solution of distributed formation control for multiple hypersonic gliding vehicles［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 98： 105643.
[11]	郑巧巧，陈谋．基于性能函数的高速飞行器编队切换控制方法［J］．航空学报， 2026， 47（S1）： 732951.
	ZHENG Q Q， CHEN M. Formation switching control for high speed aircraft based on performance function ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2026， 47（S1）： 732951 （in Chinese）.
[12]	VU L， CHATTERJEE D， LIBERZON D. Input-to-state stability of switched systems and switching adaptive control［J］. Automatica， 2007， 43（4）： 639-646.
[13]	LIU L， LIU Y J， TONG S C. Fuzzy-based multierror constraint control for switched nonlinear systems and its applications［J］. IEEE Transactions on Fuzzy Systems， 2019， 27（8）： 1519-1531.
[14]	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）： 3505614.
[15]	周雨欣，王鹏，汤国建，等. 基于干扰观测器的变形飞行器预设性能控制［J］. 战术导弹技术， 2024（4）： 72-82.
	ZHOU Y X， WANG P， TANG G J， et al. Disturbance observer-based prescribed performance control for morphing aircraft［J］. Tactical Missile Technology， 2024（4）： 72-82 （in Chinese）.
[16]	PU J L， ZHANG Y H， GUAN Y Z， et al. Recurrent neural network-based predefined time control for morphing aircraft with asymmetric time-varying constraints［J］. Applied Mathematical Modelling， 2024， 135： 578-600.
[17]	LU X Y， WANG J Y， WANG Y H， et al. Neural network observer-based predefined-time attitude control for morphing hypersonic vehicles［J］. Aerospace Science and Technology， 2024， 152： 109333.
[18]	YU X， LI P， ZHANG Y M. Fixed-time actuator fault accommodation applied to hypersonic gliding vehicles［J］. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering， 2021， 18（3）： 1429-1440.
[19]	武天才，王宏伦，任斌，等. 基于学习的高超声速飞行器分层协调容错方法［J］. 航空学报， 2024， 45（22）： 330191.
	WU T C， WANG H L， REN B， et al. Learning-based hierarchical coordination fault-tolerant method for hypersonic vehicles［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（22）： 330191 （in Chinese）.
[20]	刘田禾，安昊，王常虹. 高超声速飞行器的抗饱和切换控制［J］. 宇航学报， 2020， 41（3）： 329-336.
	LIU T H， AN H， WANG C H. Anti-windup switched control of hypersonic vehicle［J］. Journal of Astronautics， 2020， 41（3）： 329-336 （in Chinese）.
[21]	WANG J， YANG M， WANG D H， et al. Distributed average consensus attitude synchronization of multi rigid spacecrafts with predefined time event-triggered sliding mode control［J］. Aerospace Science and Technology， 2025， 159： 109975.
[22]	杨博，朱一川，魏延明，等. 折叠式变体飞行器轨迹优化及控制分析［J］. 中国空间科学技术， 2020， 40（3）： 64-75.
	YANG B， ZHU Y C， WEI Y M， et al. Trajectory optimization and control analysis of folding wing aircraft［J］. Chinese Space Science and Technology， 2020， 40（3）： 64-75 （in Chinese）.
[23]	NI J K， LIU L， LIU C X， et al. Fixed-time dynamic surface high-order sliding mode control for chaotic oscillation in power system［J］. Nonlinear Dynamics， 2016， 86（1）： 401-420.
[24]	WEI C S， LUO J J， YIN Z Y， et al. Leader-following consensus of second-order multi-agent systems with arbitrarily appointed-time prescribed performance［J］. IET Control Theory and Applications， 2018，12（16）： 2276-2286.
[25]	韦常柱，顾鑫，李玉龙. 高超声速变外形飞行器固定时间抗饱和控制［J］. 宇航学报， 2025， 46（4）： 731-740.
	WEI C Z， GU X， LI Y L. Fixed-time anti-saturation control for hypersonic morphing flight vehicle［J］. Journal of Astronautics， 2025， 46（4）： 731-740 （in Chinese）.
[26]	ZHANG L X， GAO H J. Asynchronously switched control of switched linear systems with average dwell time［J］. Automatica， 2010， 46（5）： 953-958.
[27]	CUI Y， ZHANG H G， WANG Y C， et al. A fuzzy adaptive tracking control for MIMO switched uncertain nonlinear systems in strict-feedback form［J］. IEEE Transactions on Fuzzy Systems， 2019， 27（12）： 2443-2452.
[28]	HAN T T， GE S S， LEE T H. Adaptive neural control for a class of switched nonlinear systems［J］. Systems Control Letters， 2009， 58（2）： 109-118.
[29]	SHI Y X， HU Q L， LI D Y， et al. Adaptive optimal tracking control for spacecraft formation flying with event-triggered input［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2023， 19（5）： 6418-6428.
[30]	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.

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