高大上的高超声速飞行器原来是鸡肋
何晶晶++齐瑞云++姜斌
摘要：
针对高超声速飞行器再入姿态模型，研究气动舵面故障时的再入姿态容错控制.根据高超声速飞行器再入初期的特点，通常需要反作用控制系统（Reaction Control Systems， RCS）协助气动舵面完成姿态控制.采用Backstepping方法获得期望力矩，将气动舵面视为首要执行机构，在气动舵面之间控制分配期望的力矩.如果气动舵面不能达到期望力矩，则开启RCS，由RCS提供气动舵面不能提供的力矩.考虑舵面发生部分失效和卡死故障情况，设计基于控制分配算法的容错控制策略，使得系统在故障情况下仍旧保持稳定并恢复追踪性能.
关键词：
高超声速飞行器； 容错控制； 反作用控制系统； 控制分配
中图分类号： V249.1
文献标志码： B
收稿日期： 2015[KG*9〗04[KG*9〗07
基金项目： 国家自然科学基金（61374116，61273171）
作者简介： 何晶晶（1990—），女，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向为容错控制，（Email）646073336@qq.com；
齐瑞云（1979—），女，安徽宿州人，教授，博士，研究方向为模糊自适应控制和容错控制，（Email）ruiyun.qi@nuaa.edu.cn
0引言
高超声速飞行器的飞行过程可以分为起飞段、上升段、入轨段、在轨飞行段、离轨段和无动力返回段等几个阶段.其中，无动力返回段又可以分为初期再入段、末端区域能量管理段和进场着陆段.从控制角度看，初期再入段和末端区域能量管理段是研究的重点.初期再入段的初始高度为70～20 km，马赫数为10～25.初期再入段大气密度低，导致高超声速飞行器的动压很低，气动舵面的操纵效率不足以满足控制需要，因此通常启动反作用控制系统（Reaction Control Systems， RCS）协助气动舵面共同完成姿态控制任务.
文献[1]针对跨大气层飞行器系统分析其RCS的工作原理，并且为RCS建立数学模型.气动舵面提供连续力矩，而RCS提供离散力矩，离散控制量在连续系统中的设计是控制器设计需要解决的首要问题.为解决该问题，文献[2]采用脉宽调制 （Pulse Width Modulation， PWM）技术设计RCS控制器：首先假设RCS提供连续力矩，应用连续系统的控制方法进行姿态控制律设计，然后采用PWM技术将连续的姿态控制律转换为RCS的开关控制量.文献[3]针对高超声速再入飞行器的攻角跟踪问题，采用改进的相平面法进行RCS控制系统设计.文献[4]考虑实际工程应用问题，在现有的基于最优推力器组合表的控制指令分配算法的基础上，提出一种控制指令分配的降维最优查表法.文献[5]采用基于TS模糊多模型控制方法，并结合控制分配策略，将控制力矩映射到RCS与气动舵面执行机构，在设计过程中将RCS当作连续执行机构，不考虑RCS的开关特性.文献[68]针对RCS的控制分配问题，采用一种混合整型线性规划的方法，有效解决离散控制量在连续系统中的设计问题.
容错控制是指当系统发生故障时，通过对控制器进行重构，保证故障后的系统仍然可以稳定运行.近年来，随着系统复杂性的增强，对控制系统及其控制性能的要求越来越高.容错控制技术需要结合非线性控制、智能控制等先进控制技术以满足控制需求.文献[9]针对X33的线性模型，分别采用鲁棒伺服系统控制和基于二次规划的控制分配方法设计容错控制器，补偿飞行器舵面卡死故障对系统造成的影响.文献[10]针对姿态模型的TS模糊模型，考虑在执行器部分失效的情况下在线估计执行器的故障信息.其中控制器的结构由2部分组成：一部分是标称控制器，在无故障情况下完成姿态跟踪控制；另外一部分是自适应故障补偿控制器，用以补偿失效对系统造成的影响，保证系统稳定.文献[11]提出一种基于控制分配算法的容错控制策略：当故障发生后，在不重构控制器的基础上将控制信号重新分配到没有故障的执行机构上，从而达到容错目的.文献[12]针对执行器发生部分失效故障的飞行器系统，采用自适应控制分配的方法实现容错控制策略.该方法通过设计自适应律在线调整控制分配矩阵，以保证在执行器故障情况下系统能够实现容错控制目的.
本文针对高超声速飞行器再入段初期的姿态控制问题，使用RCS协助气动舵面完成控制任务.操纵机构的多样性给操纵机构组合的选取带来困难，因此采用文献[8]的混合控制分配方法解决这一问题.在此基础上，考虑舵面发生部分失效故障和卡死故障，设计容错控制策略，保证系统稳定.
6结束语
针对高超声速飞行器再入段姿态模型，研究RCS和气动舵面的融合控制问题.首先，针对再入姿态模型，将控制力矩作为系统的输入，采用Backstepping方法设计控制器，使得姿态角跟踪参考指令，得到的控制力矩即为期望控制力矩τdes.然后，将气动舵面作为首要执行机构，先采用二次规划方法把期望控制力矩τdes分配到气动舵面上，若气动舵面效率较低，提供的控制力矩不足，则启动RCS；再采用整型线性规划的方法将剩余的力矩分配到各个RCS上.在考虑舵面发生部分失效故障和卡死故障的情况下，设计容错控制策略，保证系统稳定.最后，从理论上证明在所设计的控制策略的作用下，闭环系统所有信号都有界，并在仿真中进行验证.
参考文献：
[1]宁国栋， 张曙光， 方振平. 跨大气层飞行器再入段RCS控制特性[J]. 飞行力学， 2005， 23（3）： 1620.
NING Guodong， ZHANG Shuguang， FANG Zhenping. Research on the reaction control system for spacecraft reentry flight [J]. Flight Dynamics， 2005， 23（3）： 1620.
[2]周宇， 黄一敏， 孙春贞. 基于脉宽调制的反作用控制系统技术[J]. 信息与电子工程， 2012， 10（4）： 446450.
ZHOU Yu， HUANG Yimin， SUN Chunzhen. Control technology based on pulse width modulation of RCS[J]. Inform & Electron Eng， 2012， 10（4）： 446450.
[3]LIANG D， SONG J， CAI G. Control system design for hypersonic reentry vehicle driven by RCS based on modified phase plane method[C]//Proc 32nd Chin Contr Conf. Xian： IEEE， 2013： 23722376.
[4]WANG M， XIE Y. A dimensionreduction algorithm for spacecraft control allocation based on the optimal thruster combination table[C]//Proc 32nd Chin Contr Conf . Xian： IEEE， 2013： 23442349.
[5]钱承山， 吴庆宪， 姜长生， 等. 基于反作用发动机推力的空天飞行器再入姿态飞行控制[J]. 航空动力学报， 2008， 23（8）： 15461552.
QIAN Chengshan， WU Qingxian， JIANG Changsheng， et al. Flight control for an aerospace vehicles reentry attitude based on thrust of reaction jets[J]. J Aerospace Power， 2008， 23（8）： 15461552.
[6]DOMAN D B， GAMBLE B J， NGO A D. Quantized control allocation of reaction control jets and aerodynamic control surfaces[J]. J Guidance， Contr， & Dynamics， 2009， 32（1）： 1324.
[7]DOMAN D B， GAMBLE B J， NGO A D. Control allocation of reaction control jets and aerodynamic surfaces for entry vehicles[C]//Proc AIAA Guidance， Navigation & Contr Conf & Exhibit， AIAA 200767782007. Hilton Head： AIAA， 2007.
[8]贺成龙， 陈欣， 杨一栋. 一种动态逆解算的RLV混合规划控制分配研究[J]. 系统工程与电子技术， 2010， 32（9）： 19731976.
HE Chenglong， CHEN Xin， YANG Yidong. Mixed programming control allocation for reusable launch vehicles using dynamic inverse calculating[J]. Sys Eng & Electron， 2010， 32（9）： 19731976.
[9]BURKEN J J， LU P， WU Z. Reconfigurable flight control designs with application to the X33 vehicle[C]//Proc AIAA Guidance， Navigation， & Contr Conf， AIAA 994134. Edwards： AIAA， 1999.
[10]JIANG B， GAO Z， SHI P， et al. Adaptive faulttolerant tracking control of nearspace vehicle using TakagiSugeno fuzzy models[J]. IEEE Transactions fuzzy Sys， 2010， 18（5）： 10001007.
[11]ALWI H， EDWARDS C. Fault tolerant control using sliding modes with online control allocation[J]. Automatica， 2008， 44（7）： 18591866.
[12]刘春生， 朱心中. 基于控制分配的多操纵面战机故障容错控制[J]. 飞行力学， 2011， 29（6）： 1821.
LIU Chunsheng， ZHU Xinzhong. Fault tolerant control based on control allocation for fighter with multiple effectors[J]. Flight Dynamics， 2011， 29（6）： 1821.
[13]SHTESSEL Y， MCDUFFIE J， JACKSON M， et al. Sliding mode control of the X33 vehicle in launch and reentry modes[C]//Proc AIAA Guidance， Navigation & Contr Conf & Exhibit， AIAA984414. Reston： AIAA， 1998， 13521362.
（编辑武晓英）
