预测控制下高超声速飞行器容错控制器设计与有效性验证

本文主要探讨了在高超声速飞行器（Hypersonic Vehicle, HV）的设计中，针对存在升降舵面偏转角卡死（Elevator Deflection Stuck Fault）这一关键故障问题，提出了一种基于预测控制（Predictive Control）的容错控制器（Fault-Tolerant Controller）设计策略。首先，通过输入输出反馈线性化技术，对HV的纵向动力学模型进行了系统变换，这有助于简化控制系统的复杂性并提高控制精度。 针对HV的高速特性，文中特别关注了速度和高度的高阶导数，这些参数对飞行性能有显著影响。为了解决由于故障导致的信息缺失，设计了一种扩张状态观测器（Extended State Observer, ESO），能够在实时运行中在线估计这些难以直接测量的状态变量。这种观测器能够有效地处理非线性系统中的不确定性，并确保系统状态的准确跟踪。 预测控制是核心环节，通过泰勒展开法构建预测模型，将未来几个时间步的系统行为纳入控制器决策中。这有助于提前预见并补偿可能出现的故障影响，从而实现对飞行器的稳定控制。文章进一步分析了基于预测控制的闭环控制系统稳定性，证明了该方法能够在面对升降舵面故障时保持系统的稳定性。 为了验证设计的有效性，文中进行了详细的仿真研究。仿真结果表明，提出的容错控制器能够有效应对升降舵面偏转角卡死故障，确保飞行器在面临这类突发情况时仍能保持预定的飞行轨迹和性能指标，从而提高了飞行器的鲁棒性和可靠性。 这项工作为高超声速飞行器的容错控制提供了一种创新且实用的方法，对于保障这类复杂系统的安全运行具有重要意义。其研究结果不仅适用于航空航天领域的实际应用，也对其他需要实时处理非线性系统故障的领域具有参考价值。