[发明专利]高超声速飞行器多传感器故障的非线性自愈合控制方法

说明书

本发明公开一种高超声速飞行器多传感器故障的非线性自愈合控制方法，步骤是：针对高超声速飞行器巡航阶段纵向非线性模型，采用输入输出反馈线性化技术，得到高超声速飞行器纵向仿射非线性系统；针对得到的系统建立滑模面，设计无故障情况下的滑模控制器；对原健康系统注入多传感器恒偏差故障，设计故障估计方案，具体如下：针对速度通道设计非线性自适应观测器；针对高度通道，设计反步滑模观测器来估计状态量与传感器故障；获得高度与速度传感器故障估计结果后，设计容错控制器，对高度传感器与速度传感器的输出信号进行补偿。此种方法可以解决高超声速飞行器纵向系统遭受速度和角度通道多传感器故障情况下的容错控制问题，提高系统自愈合能力。

技术领域

本发明属于高超声速飞行器传感器故障容错控制技术领域，特别涉及一种针对高超声速飞行器多传感器故障的非线性自愈合控制方法。

背景技术

近年来，由于高超声速飞行器在发射成本、飞行速度、航天运输和全球打击等军用民用方面具有诸多优势，因此备受关注。与传统航空航天飞行器相比，高超声速飞行器具有强非线性，强耦合和快时变性等动力学特征。近空间中大气密度、温度和气流环境等条件比普通飞机飞行环境更为复杂和苛刻，传感器系统容易受到冰冻、高温和雷电等影响，产生故障，测量值产生偏差甚至传感器系统整体测量产生误差，此时针对单个传感器的硬件冗余技术无法发挥作用，因此参考执行器故障处理方法，可以采用基于模型的解析冗余技术估计出故障，通过设计容错控制器进行补偿，从而确保系统稳定性并提高系统可靠性。

目前，针对高超声速飞行器的容错控制研究主要针对发生执行器故障的情况来设计相应的容错控制方法，但考虑高超声速飞行器传感器故障的研究相对而言较少，且基本都基于较为简单的高超声速飞行器线性系统。这些小扰动线性化系统与非线性系统相比，不同通道之间耦合影响较小甚至没有。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种高超声速飞行器多传感器故障的非线性自愈合控制方法，以解决高超声速飞行器纵向系统遭受速度和角度通道多传感器故障情况下的容错控制问题，提高系统自愈合能力。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种高超声速飞行器多传感器故障的非线性自愈合控制方法，包括如下步骤：

步骤1，针对高超声速飞行器巡航阶段纵向非线性模型，采用输入输出反馈线性化技术，得到高超声速飞行器纵向仿射非线性系统；

步骤2，针对步骤1得到的纵向仿射非线性系统，建立滑模面，设计无故障情况下的滑模控制器；

步骤3，对原健康系统注入多传感器恒偏差故障，针对该带有多传感器故障的系统，设计故障估计方案，具体如下：针对速度通道设计非线性自适应观测器；针对高度通道，设计反步滑模观测器来估计状态量与传感器故障；

步骤4，根据步骤3获得高度与速度传感器故障估计结果后，设计容错控制器，对高度传感器与速度传感器的输出信号进行补偿。

上述步骤1中，高超声速飞行器巡航阶段纵向非线性模型如下：

其中，U，L，D，M_yy分别代表推力、升力、阻力和俯仰力矩；I_yy表示转动惯量，μ是万有引力常数，r为距地心的径向距离且r＝h+R_e，R_e为地球半径。α是攻角，γ是偏航角，ρ是大气密度，V是水平方向速度，q是俯仰角速率，是升降速度，h是飞行高度，β_U为发动机油门开度，定义纵向模型控制向量z^T＝[V γ α β_U h]；

力和力矩计算公式与系数如下：