高超音速飞行器机翼颤振容错控制关键技术研究

Abstract: The dynamics problems of hypersonic vehicle have attracted much attention in the field of aeronautical and space technologies. The active flutter control is one of these focal issues. Researches of aero-elastic active control technology have developed a lot, but all of them are carried out for subsonic aircrafts without actuator faults. This project setting the wing flutter system of hypersonic vehicle as research subject, considering actuator faults, carries out research on the fault tolerant control issue of flutter system. Firstly, we build up the wing flutter nonlinear dynamic model considering the impacts of hypersonic vehicle aerodynamic heating makes on the aero-elastic system; secondly, countering the wing flutter system of hypersonic vehicle with actuator faults, we propose a finite time adaptive fault tolerant control strategy to effectively control the wing flutter system with actuator problems; Finally, concerning time delay in control circuit, actuator input saturation, actuator faults, modeling uncertainties and outer disturbances, proposes a finite time fault tolerant flutter control algorithm of hypersonic vehicle to effectively suppress the wing flutter system. This project research will provide a important theoretic and research method for active flutter control system of hypersonic vehicle.

高超音速飞行器的动力学问题是当前航空航天技术的研究热点，对其颤振主动控制的研究是焦点问题之一。虽然目前气动弹性主动控制技术取得了可喜的研究进展，但是现有的研究都是针对亚音速飞行器和在执行器无故障的情况下进行的。本项目以高超音速飞行器机翼颤振系统为研究对象，考虑执行器的故障，对其颤振系统的容错控制问题进行研究。本项目首先考虑高超音速飞行器气动热对气动弹性系统的影响，建立机翼颤振非线性动力学模型；其次，针对存在执行器故障的高超音速飞行器机翼颤振系统，提出一种有限时间自适应容错颤振控制策略，对存在执行器故障的机翼颤振系统进行有效控制；最后，针对控制回路中的时滞问题，并且兼顾执行器输入饱和、执行器故障、建模不确定性和外部干扰，提出一种有限时间内的高超音速飞行器容错颤振控制算法，对机翼颤振系统进行有效的抑制。本项目的研究将为高超音速飞行器颤振主动控制系统提供重要的理论工具和研究方法。

对于高超音速再入飞行器，在再入过程中飞行器将面临高温高压等恶劣的气动环境，作动器有可能发生失效、漂移、卡死等故障，执行器很小的故障可能会造成飞行器灾难性的事故。此外，在颤振的主动控制系统中时滞现象不可避免，时滞现象的存在有可能引起控制系统效率的降低或控制系统不稳定。对于高速飞行的再入飞行器，系统的状态瞬间变化非常大，要求执行器应当能够瞬间适应系统状态的这种快速变化，控制系统中的微小时滞量都有可能导致控制系统不稳定的产生。因此，开展再入飞行器颤振主动抑制中时滞问题的研究显然具有重要意义。值得说明的是，现有关于机翼颤振主动控制的研究几乎都是在假定系统作动器完全正常和控制系统中没有时滞的条件下开展的，少有考虑作动器故障、输入饱和以及时滞方面的研究报道。