基于ESO补偿的故障舰载机滑模容错着舰控制技术_杨文奇.pdf

引用格式:杨文奇，周思羽，卢建华，等 基于 ESO 补偿的故障舰载机滑模容错着舰控制技术J 电光与控制，2023，30(7):28-34，56 YANG WQ,ZHOU S Y,LU J H,et al esearch on fault tolerant control technology of carrier aircraft based on ESO compensationJ Electronics Optics Con-trol,2023,30(7):28-34，56基于 ESO 补偿的故障舰载机滑模容错着舰控制技术杨文奇1，周思羽1，卢建华2，程春华1，宋立廷1(1 海军航空大学青岛校区，山东 青岛266000;2 海军航空大学航空基础学院，山东 烟台264000)摘要:舰载机着舰是一项具有强非线性、强耦合性、环境干扰复杂等特点的系统工程。舰载机故障状态下的自动着舰任务更是极具风险与挑战。针对舰载机着舰过程中执行器随机漂移故障、部分损伤故障所引起的控制系统性能恶化问题，提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)补偿的滑模容错控制方法。该方法通过 ESO 对系统的未建模动态、舰尾流扰动以及故障状态进行实时精确估计，进而设计滑模控制律确保误差收敛，采用高阶线性微分跟踪器(LTD)获取控制律所需的各阶微分信号。仿真结果表明，所设计的方法具有良好的跟踪性能、抗干扰能力以及故障容错性能。关键词:舰载机着舰;滑模控制;容错控制;扩张状态观测器中图分类号:V249 1文献标志码:Adoi:10 3969/j issn 1671 637X 2023 07 005esearch on Fault Tolerant Control Technology ofCarrier Aircraft Based on ESO CompensationYANG Wenqi1,ZHOU Siyu1,LU Jianhua2,CHENG Chunhua1,SONG Liting1(1 Campus of Qingdao,Naval Aviation University,Qingdao 266000,China;2 School of Aviation Fundamentals,Naval Aviation University,Yantai 264000,China)Abstract:Carrier aircraft landing is a system engineering with strong nonlinearity,strong coupling,andcomplex environmental interference The automatic landing task under the fault condition of the carrieraircraft is extremely risky and challenging A sliding mode fault-tolerant control method based on ExtendedState Observer(ESO)compensation is proposed for the deterioration of control system performance causedby random actuator drift failures and partial damage failures during landing The method adopts ESO toaccurately estimate the unmodeled dynamics of the system,the aft wake disturbance and the fault state inreal time,and then a sliding mode control law is designed to ensure error convergence,and the differentialsignals of all orders required by the control law are obtained by using a high-order Linear TrackingDifferentiator(LTD)The simulation results show that the method designed in this paper has good trackingperformance,anti-interference ability and fault toleranceKey words:carrier aircraft landing;sliding mode control;fault-tolerant control;extended state observer0引言固定翼舰载机着舰是一个世界范围内的难题，有“刀尖上的舞蹈”之称1。相较于陆基降落，舰基降落要在甲板运动和舰尾流等复杂环境干扰下，控制舰载机沿着基准轨迹保持稳定滑行，最终以合适的姿态和速度在规定的区域触舰 2。不利的外界条件和严格的着舰要求给自动着舰系统(Automatic Carrier Landing System，收稿日期:2022-07-01修回日期:2022-07-12基金项目:2021 年山东省高等学校“青创科技支持计划”(2021KJ061)作者简介:杨文奇(1999)，男，安徽池州人，硕士生。ACLS)的设计带来了极大的困难，若此阶段舰载机再遭遇执行器故障、结构性故障等情况，控制系统的性能将会进一步恶化，进而直接威胁到着舰安全。因此，在ACLS 设计中必须尽可能考虑控制器容错性能。容错控制是指系统发生故障时，依然能保持其正常运行的控制策略，可分为主动容错控制和被动容错控制3。主动容错控制需要进行故障诊断和控制律重构，计算相对复杂。本文主要研究被动容错控制，其无需故障信息，依靠控制器自身鲁棒性来实现故障补偿，包括增益调度、反馈线性化、滑模控制、反演控制、自适应控制、模糊控制以及神经网络等。自 20 世纪 60 年代美国就开始了对飞控系统容错控制策略的研究。文Vol 30No 7July 2023第 30 卷第 7 期2023 年 7 月电光与控制Electronics Optics Control杨文奇等:基于 ESO 补偿的故障舰载机滑模容错着舰控制技术献 4 针对含执行器故障和外部干扰下的航天器姿态控制系统，提出了一种有限到达时间滑模控制方法;文献 5 针对无人机自动着陆时舵面损伤导致的控制性能下降问题，提出了一种时滞控制方案，克服了传统方法的不足;文献 6设计了一种基于实时参数辨识结合自适应动态逆的飞行控制方案，具有良好的故障补偿能力。近年来，随着模型复杂程度和控制品质要求的提高，基于先进控制理论的容错策略越来越多地被应用于飞控系统设计，并取得了不少成果。文献 7针对高超声速飞行器设计了一种快速自适应终端滑模容错控制器，保证了执行器发生故障时系统状态有限稳定;文献 8 针对存在参数不确定性和执行器故障的近空间高超声速飞行器动力系统，提出了一种基于观测器的被动容错控制方案;文献 9针对临近空间高超声速飞行器，提出了一种基于模糊控制和滑模观测器的故障调节策略;文献 10提出了一种舰载机单发停车故障下的安全着舰控制方法，通过传统 PID 理论实现控制律重构，并进行了方案的有效性验证;文献 11提出了一种结合非线性动态逆滑模和神经网络的容错控制方法，能够快速有效地处理执行器故障问题，然而神经网络的引入提高了系统复杂程度，工程实现复杂。现代观测器理论是被动容错控制中一个具有广泛应用前景的研究方向。其中，扩张状态观测器(ExtendedState Observer，ESO)是韩京清教授提出的一种估计能力很强的观测器，通过对系统的总和扰动进行观测，并在控制量中加入其补偿项，从而实现良好的控制效果。ESO 在飞行器容错控制中已有一些成功的应用。文献 12 针对无人飞行器舵面损伤故障问题，设计了一种基于线性自抗扰的容错控制方案，实现了对故障的有效补偿;文献 13 针对四旋翼无人机桨叶损伤故障问题，设计了一种基于积分滑模和 ESO 的容错控制方法，能够有效处理故障，提高了系统鲁棒性;文献 14 针对四旋翼飞行器外部干扰和执行器故障问题，利用 ESO 检测执行器故障状态，采用模糊控制优化自抗扰控制参数，并验证了其有效性。本文针对舰载机发生执行器故障时的着舰控制问题，提出了一种基于 ESO 补偿的滑模容错控制策略，并验证了该方法能够快速、有效地处理故障所引起的控制系统性能恶化问题，旨在为故障下的自动着舰问题提供一种新的思路。1舰载机故障下的着舰问题描述1 1舰载机纵向非线性模型以美国 F/A-18A 型舰载机为研究对象。本文主要研究舰载机纵向着舰的飞行控制，故需考虑机体绕一个轴转动以及沿两个轴平动的运动学与动力学模型15。舰载机纵向非线性方程为v=FTcos Dm+g(cos sin sin cos)=gv(cos cos +sin sin)+q FTsin +Lmv=qq=MIyyh=v(cos sin sin cos)=+(1)式中:v 为速度;FT为发动机推力(设发动机安装角为0);D 为阻力;L 为升力;m 为舰载机质量;g 为重力加速度;为迎角;为俯仰角;为轨迹角;q 为俯仰角速度;M 为俯仰力矩;Iyy为转动惯量;h 为高度。1 2甲板运动模型文献 16 给出的甲板运动模型，其功率谱对应的滤波器表达式为s(s)=0 334034s(s2+0 22s+0 3025)(s2+0384s+04096)(2)Zs(s)=0 353568s(s+0 04)(s2+016s+0 16)(s2+0 22s+0 3025)(3)甲板运动引起的理想着舰点纵向位移为hs=Zs+sl(4)其中:Zs(s)为垂荡幅值;s为纵摇幅度。通过仿真可得如图 1 所示的理想着舰点纵向位移。图 1理想着舰点纵向位移仿真图Fig 1Longitudinal displacement simulationdiagram of ideal landing point1 3舰尾流模型舰尾流是影响舰载机安全着舰的重要因素之一，直接影响舰载机迎角、速度等关键状态参数17。舰尾流的主要特点是随机性与非线性，由自由大气紊流分量、稳态分量、周期性分量以及随机分量 4 种分量组成18。本文主要研究纵向控制，不考虑横侧方向尾流92第 7 期影响，且纵向垂直分量影响远大于水平分量，因此仅对纵向垂直尾流进行分析。纵向垂直尾流 wg19 表达式为wg=w1+w2+w3+w4(5)式中，w1 w4分别表示上述 4 种分量，具体可参见美军标 MIL-HDBK-8785C。wg仿真结果如图 2 所示。图 2舰尾流垂直速度分量Fig 2Vertical velocity component of aft airflow1 4故障数学模型描述常见的执行器故障包括卡死、漂移、损伤以及饱和。本文主要研究漂移故障和损伤故障。以一般形式的非线性系统为例，如x=f(x)+g(x)u(6)式中:f(x)，g(x)均为已知的非线性映射函数;x 和 u分别为系统状态量和控制量。可将舰载机故障模型描述为x=f(x)+g(x)(u+uf)(7)式中:为执行器损伤系数，0 1;uf为随机漂移故障值。因此，可将故障情况归纳如下。1)随机漂移故障:=1，uf0，根据 uf可将其分为常值故障和时变故障。2)执行器损伤:0 1，uf=0。2基于 ESO 补偿的滑模容错控制以二阶系统为例，本文提出如图3 所示的 ESO-SMC结构。图 3基于 ESO 的滑模容错控制器结构Fig3Sliding mode fault-tolerant controller based on ESO2 1扩张状态观测器设计针对二阶非线性系统x1=x2x2=f