（控制科学与工程专业论文）飞机的非线性自修复控制研究.pdf

u n i v e r s i t yo f sc i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rd o c t o r ，sd e g r e e a s t u d y o nn o n l i n e a r s e l f - r e p a i r i n gc o n t r o l f o ra n a i r c r a f t a u t h o r sn a m e ：z h i w e ig u 0 s p e c i a l i t y ： c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f y o n gw a n g 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 曰公开 口保密l 年) 作者签名： 签字日期：丝l 旦! ! 兰：鱼 导师签名： 签字日期：7 户【旦二h6 ， 摘要 摘要 美国n a s a 于19 8 4 年提出自修复飞行控制系统( s e l f - r e p a i r i n gf l i g h tc o n t r o l s y s t e m ) 研究计划以来，自修复控制已经成为航空航天领域研究的热点之一，是 提高复杂飞行控制系统可靠性的一条有效途径。在不增加硬件设备的前提下，充 分利用飞机操纵面本身存在的功能冗余，提高飞控系统的可靠性。故障检测与隔 离是自修复飞控系统的核心技术之一，它要求能及时对故障发生的原因和部位进 行检测，预测潜在故障发生的可能性，进而为及时预警以及飞行控制律重构和自 主维护诊断提供相关信息和依据；飞行控制律重构是自修复系统的另一项核心技 术，其功能就是在飞机出现比较大的故障情况下，通过实时改变控制律，重构出 可以正常操纵飞机的控制律，保证故障飞机的飞行安全。 本文主要做了以下工作： 第一，本文根据自修复飞行控制的一些基本概念，利用五舵面单发飞机的各 个舵面之间的相互关系，结合自修复飞行控制的基本假设，提出了一种非线性自 修复控制律设计的两步法策略，即基本控制律和修复控制向量独立设计；在该控 制律设计策略中，故障发生前后基本控制律均保持不变，只是在故障发生后以额 外信号的形式引入修复控制向量，补偿故障对系统稳定性和跟踪性能的影响。这 样将自修复控制律的设计转化为分别设计基本控制律和求解修复控制向量两个 相互独立的问题，简化了自修复控制律的设计过程。基于此控制器结构，提出了 一种新的作动器舵面故障描述形式，该模型将故障对气动参数的影响折算到输 入中，使得飞机动态方程中的其他各项在故障前后维持一致。 第二，将飞机的速度、航迹俯仰角及航迹方位角作为广义的速度矢量，在飞 机无故障时，设计了基于反步( b a c k s t e p p i n g ) 控制思想的速度、侧滑角自适应跟踪 控制律；针对反步设计中，对虚拟控制律进行微分运算所导致的控制律存在的“计 算膨胀问题，本文提出了一种结合动态面( d y n a m i cs u r f a c e ) 思想的速度、侧滑 角自适应反步跟踪控制律，该控制律可以保证闭环系统具有输入状态稳定的特 性，本文给出了严格的证明。基于某飞机模型，进行了两种超机动动作的数值仿 真，结果验证了该控制律可以保证无故障飞机具有良好的跟踪效果，满足自修复 飞行控制的基本假设之一，为后面的自修复控制向量的求解提供了基础和保证。 第三，根据输出匹配条件，推导了修复控制向量的解析解，其构造为基本控 制律及故障相关项的线性组合，且线性组合系数是故障参数的函数；修复控制向 量的求解转化为故障参数的计算。针对故障参数的求解，提出了两种不同的参数 数求解方法：即，基于自适应思想的参数估计及基于故障诊断的参数求解法。 a b s t r a c t n a s ab r o u 咖f o r t har e s e a r c hp r o j e c to fs e l f - r e p a i r i n gn i g h tc o n t r o ls y s t e m ( s e l f 二r e p a i r i n gf l i g h tc o n t r o ls y s t e m ) b yu n i t e ds t a t e si n 19 8 4 ，s ot h es e l f - r e p a i n n g c o n t r 0 1h a sb e c 锄eaf o c u so fr e s e a r c hi na e r o s p a c ef i e l d s s e l f - r e p a i r i n g f l i g h t c o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e do nt h eb a s i so ff l y - b y - w i r ef l i g h tc o n t r o ls y s t e m ，a n d i tl s a na i l v a l l c e sf l i g h tc o n t r o ls y s t e mc o m b i n e dw i t ha c t i v e f a u l t - t o l e r a n tt e c h n o l o g y s r f c st l 蛐sn o a 1 1i m p o r t a n ta s p e c ti nf u t u r e t h ed e v e l o p m e n t so ff a u l td i a g n o s l s a n df a u l t t 0 1 e r a n c ec o n t r 0 1t e c h n o l o g yp r o v i d ea ne f f e c t i v ew a y o fi m p r o v i n gs a f e t y a n dr e l i a b i l i t yf o rc o m p l i c a t e df l i g h tc o n t r o ls y s t e m t h eb a s i ci d e a i sf o l l o w i n g ： u i l d e rn l ep r e m i s eo f 晰t h o u ti n c r e a s i n gt h eh a r d w a r ed e v i c e s ，s r f c sc a nm a k e f u l l u s eo ft h ec a p a b i l i t i e so fi n h e r e n tf u n c t i o nr e d u n d a n c ya n di m p r o v et h er e l i a b i l i t y , s u n ，i v a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t yo ff l i g h tc o n t r o ls y s t e m s ，a tt h es a m et i m er e d u c m g t h em a i n t e n a l l c ec o s t sf o rf l i g h tc o n t r o ls y s t e m s f a u l td e t e c t i o na n di s o l a t i o n 1 so n e 乍 o fc o r et e c h n 0 1 0 9 yf o rs e l f - r e p a i r i n gf l i g h tc o n t r o ls y s t e m ，w h i c h c a l ld e t e r m i n ef a u i t s c a u s ea n dl o c a t i o ni nt i m e ，a n da l s oc a np r e d i c tap o s s i b l i t yo fp o t e n t i a lf a i l u r e ，a n d t h e np r o v i d ear e l e v a n ti n f o r m a t i o nf o r a l a r ma n dr e c o n f i g u r a b l em g h tc o n t r o ll a w a n ds e l f - d i a g n o s t i cm a i n t e n a n c e t h er e c o n i q g u r a b l em e t h o df o rf l i g h tc o n t r o ll a w l s a i l o m e rc o let e c h n o l o g yi ns e l f - r e p a i r i n gc o n t r o ls y s t e m i nt h ee m e r g e n c eo ft h e l a r g e rf a u l t ，ac o n t r o ll a wi sr e c o n s t r u c t e d ，a n dc a ne n s u r eas a f e t yo f t h ef l i g h ta f t e r f a i l u r e ，m e r e b yi n c r e a st h ef l i 【g h tc o n t r o ls y s t e mr e l i a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y , r e d u c e m a i n t e n a n c ec o s t s ，w h i l er e d u c i n gt h eb u r d e no np i l o t t h e m a i nw o r k so ft h i st h e s i sa r es h o w na sf o l l o w s ： f i r s t l y i nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n g t os o m eb a s i cc o n c e p t s i ns r f c s ，t h e r e l a t i o n s h i pb e 铆e e na l lo fc o n t r o ls u r f a c e sf o ra i r c r a rw i t h 丘v ec o n t r o ls u r f a c e s s i n 9 1 ee n g i n ei sa n a l y z e d ，b yc o m b i n i n g w i t ht h eb a s i ca s s u m p t i o n s t o ra s e l f - r e p a i r i n gf l i g h t c o n t r o ls y s t e m ，a na r c h i t e c t u r eo fs e l f - r e p a i r i n g c o n t r o l l e r1 s p r o p o s e d ，w h i c hi si m p l e m e n t e di na r e t r o f i tf a s h i o n , i e as e l f - r e p a i r i n gc o n t r o l l e r c o n s i s t so fab a s i cc o n t r o l l e ra n d ar e c o n f i g u r a b l ec o n t r o lv e c t o r t h eb a s e l i n e c o n 仃0 1 l e ri sr e t a i n e d ，a n dt h er e c o n f i g u r a b l ec o n t r o l l e ri si m p l e m e n t e da sa i la d d o n s i g n a l b a s e do nt h ec o n t r o l l e rs t r u c t u r e ，an e w d e s c r i p t i 0 1 1f o ra c t u a t o r c o n t r o ls u n a c e f a i l u r ei sa l s op r o p o s e d ，t h e nap r o b l e mo fd e s i g nt h es e l f - r e p a i r i n gc o n t r o ll a w 1 s t r a n s f o m l e di n t ot h es o l u t i o no far e c o n f i g u r a b l ec o n t r o lv e c t o r t h ed e s i g np r o c e s so f i i i s e l f - r e p a i r i n gc o n t r o ll a wi ss i m p l i f i e d s e c o n d l y , as p e e d ，f l i g h tp a t ha n g l ea n dh e a d i n go fa na i r c r a f ta r ev i e w e da sa g e n e r a l i z e dv e l o c i t yv e c t o r , a na d a p t i v et r a c k i n gc o n t r o ll a wb a s e do nb a c k s t e p p i n g t e c h n o l o g yi sd e s i g n e d ，w h i c hc a ng u a r a n t e et h eg e n e r a l i z e dv e l o c i t ya n ds i d e s l i p a n g l et r a c k i n gd e s i r e dv a l u eo fv e l o c i t ya n ds i d e s l i pa n g l ew i t hf a u l t - f r e ea i r c r a f t t h e b a c k s t e p p i n ga p p r o a c h ，w h i l es u f f e r i n g f r o mt h e p r o b l e mo f “e x p l o s i o n o f t e r m s g u a r a n t e e sb o u n d e d n e s so ft r a c k i n ge r r o r sg l o b a l l y i nt h i sp a p e r , a nv e r s i o no f a d a p t i v et r a c k i n gc o n t r o ll a wb a s e do nb a c k s t e p p i n gc o m b i n e dw i t hd y n a m i cs u r f a c e i sd e r i v e d ，a n dt h ec o n t r o ll a wc a ng u a r a n t e ec l o s e d l o o ps y s t e mw i t hi n p u t s t a t e s t a b i l i t yp r o p e r t i e s ，a n ds t r i c tp r o o fi sg i v e n b a s e dm o d e lo faf i g h t e r , t w os u p e r m a n e u v e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n si sc a r r i e do u t ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l a wc a ng u a r a n t e ea i r c r a f tw i t h o u tf a u l tt oh a sag o o dp e r f o r m a n c ea n dt om e e to n eo f t h eb a s i ca s s u m p t i o n sf o ras e l f - r e p a i r i n gf l i g h tc o n t r 0 1 i ta l s op r o v i d e sab a s i sf o r s o l v i n gr e c o n f i g u r a b l ec o n t r o lv e c t o r t h i r d l y , b a s e do nt h eo u t p u tm a t c h i n gc o n d i t i o n s ，t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no fa r e c o n f i g u r a b l ec o n t r o lv e c t o ri sd e r i v e d ，i t ss t r u c t u r ei sal i n e a rc o m b i n a t i o no ft h e b a s i cc o n t r o ll a wa n dc o e f f i c i e n ti nc o n n e c t i o n 、析t hf a i l u r e a n dt h ec o e f f i c i e n ti sa f u n c t i o no ff a u l tp a r a m e t e r s ，t h e nap r o b l e mo fs o l u t i o no fr e p a i rc o n t r o lv e c t o ri s t r a n s f o r m e di n t oac a l c u l a t i o no ff a u l tp a r a m e t e r s f o rf o rt h ec a l c u l a t i o no ff a u l t p a r a m e t e r s ，t w od i f f e r e n tm e t h o d sf o rs o l v i n gp a r a m e t e r sa r ep r o p o s e d ，n a m e l y , t h e p a r a m e t e re s t i m a t i o nb a s e do na d a p t i v et h i n k i n ga n db a s e do n f a u l td i a g n o s i s f o u r t h l y , a c c o r d i n gt ot h et h o u g h to fa d a p t i v ec o n t r o l ，o nt h eb a s i so ft h e 仃，d p a r a m e t e r so ft h em o d e lf o rt h ea c t u a t o r c o n t r o ls u r f a c es t u c ka n de f f i c i e n c yl o s s ，t h e a d a p t i v el a wo fp a r a m e t e r sf o rr e c o n f i g u r a b l ec o n t r o lv e c t o ri sd e r i v e d ，a n dt h e c l o s e d - l o o pc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e s t o r e ds y s t e mi sa l s og i v e n f e wp a r a m e t e r sw i l lt o b ee s t i m a t e da n dt h es t r u c t u r eo fr e c o n f i g u r a b l ec o n t r o lv e c t o ri ss i m p l ei n t h i s m e t h o d t h es i m u l a t i o n so ft h es t u c k10 0f o rl e f ta i l e r o na n dt h ee f f i c i e n c yl o s s9 0 f o rr i g h te l e v a t o rf a i l u r e ，s h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi sv a l i d i t y s i n c ea d a p t i v ec o n t r o l l a wi sw o r k i n gi nt h ew h o l eo fp r o c e s s ，t h ec o n t r o l l e ra l s oc a ni m p r o v et h et r a c k i n g p e r f o r m a n c ef o ro v e r a l ls y s t e m f i n a l l y , a d a p t i v ec o n t r o ll a wb a s e do na d a p t i v et h o u g h tc a nn o tg u a r a n t e et h a t f a u l tp a r a m e t e r se s t i m a t e dv a l u ec o n v e r g et ot h et r u ev a l u e t a k i n gi n t oa c c o u n tt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft y p i c a ls e c o n d - o r d e rf o ra i r c r a f ta c t u a t o r , t h ed y n a m i co f a c t u a t o rw i l lb ei n t r o d u c e di n t ot h en o n l i n e a ra i r c r a f td y n a m i ce q u a t i o n s ，b yu s i n gt h e i v a b s t r a c t a c t u a t o r c o n t r o ls u r f a c eo ft h es i n g l e9 p a r a m e t e rm o d e l ao n 1 i n ef a u l tp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e do nh i g h g a i no b s e r v e ri sd e s i g n e d ，w h i c ha c c o m p l i s ht h e p u r p o s eo fe s t i m a t i n ga c t u a t o rs t a t e sw i l es i m u l t a n e o u s l yi d e n t i f y i n gf a u l tp a r a m e t e r s t h e nar e c o n f i g u r a b l ec o n t r o lv e c t o ri s i m p l e m e n t e db yu s i n gt h ee s t i m a t e df a u l t p a r a m e t e r sa n da c t u a t o rs t a t e s ，a n dc o m p e n s a t e st h ei n f l u e n c eo fa c t u a t o rf a u l t s a n d c a ng u a r a n t e et h e t r a c k i n gp e r f o r m a n c ef o rf a u l ts y s t e m n o r d i n e a rm o d e lo fa n a i r c r a f ts i m u l a t i o nr e s u l t s ，i nt w os c e n a r i o so ft h es t u c k5 0f o rr i g h ta i l e r o na n dt h e e f f i c i e n c yl o s s9 0 f o rl e f te l e v a t o rf a i l u r e ，s h o wt h a tf a u l tp a r a m e t e re s t i m a t e dv a l u e c a l lq u i c k l yc o n v e r g et oi t st r u ev a l u ea n dt h er e c o n f i g u r a b l ev e c t o rc a na l s of a s t r e s t o r ef a u l ts y s t e mp e r f o r m a n c et ot h el e v e l so ff a u l t - f r e e s y s t e m t h er e p a i r i n g p r o c e s si sr e l a t i v e l ys t a b l e ，a n do n l i n ei d e n t i f i c a t i o no ff a u l tp a r a m e t e ri sa c c u r a c y t h e p r o p o s e da l g o r i t h mi se f f e c t i v e k e yw o r d s ：f a u l t sd i a g n o s i s ，r e c o n f i g u r a b l e c o n t r o l ，e f f i c i e n c y l o s sm a t r i x ， d i f f e r e n t i a lc o m p e n s a t i o nm a t r i x ，r e c o n f i g u r a b l ec o n t r o lv e c t o r , a c t u a t o r c o n t r o l s u r f a c e ，a d a p t i v ec o n t r o l ，h i g h - g a i no b s e r v e r , d y n a m i cs u r f a c e ，b a c k s t e p p i n g c o n t t o l v a b s t r a c t v i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v i i 常用符号的意义与量纲 第1 章绪论1 1 1 研究目的与意义1 1 2 自修复控制研究现状2 1 3 自修复控制发展趋势7 1 4 研究思路与研究内容8 1 4 - 1 研究思路8 1 4 2 本文的主要内容9 第2 章飞机的非线性数学模型1 1 2 1 飞机的六自由度动力学和运动学方程1 l 2 1 1 六自由度基本动力学及运动学方程。1 1 2 1 2 飞机的广义速度矢量方程1 3 2 1 3 攻角、侧滑角及速度矢量滚转角方程1 5 2 2 飞机气动力和力矩模型1 7 2 3 飞机作动器模型1 8 2 4 本章小结19 第3 章飞机故障建模21 3 1 飞机的输入信号及其相互关系2 l 3 1 1 飞机的输入信号定义2 2 3 1 2 各个信号之间的关系2 2 v l i 目录 3 2 自修复控制律的形式2 5 3 3 故障建模2 6 3 3 1 作动器故障建模一2 6 3 3 2 推力故障2 9 3 3 3 作动器和推力故障整体模型2 9 3 3 4 结构损伤建模3 0 3 4本章小结3l 第4 章无故障飞机基本控制律研究3 3 4 1 基本控制律设计基础3 3 4 2 基本控制律设计3 5 4 2 1 速度保持足艮踪控制律设计3 5 4 2 2 稳定性分析。4 4 4 2 3 控制律参数的选择4 6 4 3 基本控制律仿真4 7 4 3 1 仿真条件的设置4 7 4 3 2 基本控制律仿真结果4 8 4 3 3 结果分析5 4 4 4 本章小结5 6 第5 章故障自适应修复控制律研究5 7 5 1 修复控制向量的结构5 7 5 2 作动器故障的自适应修复控制5 8 5 2 1 作动器卡死故障。5 9 5 2 2 作动器缺损故障6 5 5 3 故障自修复的数字仿真7 2 5 3 1 仿真条件的设置一7 2 5 3 2 自适应修复控制仿真结果。7 3 5 4 本章小结8 2 第6 章基于故障诊断的自修复控制研究8 3 6 1 故障诊断基本问题8 3 6 2 一种作动器故障主动修复控制律设计方法8 9 v i i i 目录 6 2 1 基于高增益观测器的故障诊断8 9 6 2 2 修复控制向量的求解9 3 6 3 作动器故障下的自修复控制仿真9 6 6 3 1 卡死故障仿真9 6 6 3 2 缺损故障仿真1 0 1 6 4 本章小结1 0 5 第7 章结束语10 7 7 1 本文的主要工作及创新点1 0 7 7 2 后续工作的展望1 0 9 参考文献1 l1 附录一某飞机非线性数学模型1 2 1 f 1 1 六自由度非线性微分方程1 2 l f 1 2 结构参数：1 2 l f 1 3 气动参数1 2 1 致谢1 4 7 在读期间发表的学术论文1 4 9 i x 目录 x 常用符号的意义与量纲 常用符号的意义与量纲 状态变量： p ，q ，一飞机的滚转、俯仰、偏航角速度( r a d s ) 巧，u ，w 一飞行速度及在纵向、侧向、垂向的分量( m s ) 口，3 一飞机的攻角和侧滑角( r a d ) y ，z ，一飞机的航迹俯仰角、航迹方位角和速度矢滚转角( r a d ) 妒，0 ，y 一飞机的滚转角、俯仰角、偏航角( r a d ) 赡，耽，毛一飞机的质心位置的地轴坐标( m ) 控制输入： e 发动机推力( n ) 允，疋，t 一副翼、升降舵、方向舵的偏转角( d e g ) 结构参数： b 一翼展( m ) 万一平均气动弦长( m ) 所一飞机质量( k g ) s 一机翼面积( m 2 ) ，厶一飞机对各体轴的惯性矩( k g m ) 气动参数： c 。，c ，c ：一由飞机固定翼引起的阻力、侧力、升力系数 c ，q ，e 一由飞机固定翼引起的滚转、俯仰、偏航力矩系数 ，一由升降舵引起的阻力、升力系数( 1 d e g ) 巴瓦一由升降舵引起的俯仰力矩系数( 1 d e g ) ，一由副翼、方向舵引起的侧力系数( 1 d e g ) ，一由副翼、方向舵引起的滚转力矩系数( 1 d e g ) c 麓，c 名一由副翼、方向舵引起的偏航力矩系数( 1 d e g ) 巴。一由俯仰角速度引起的俯仰力矩系数( s r a d ) ，巳一由俯仰角速度引起的阻力、升力系数( s r a d ) g ，q 一由滚转角速度、偏航角速度引起的滚转力矩系数( s r a d ) q ，c r r 一由滚转角速度、偏航角速度引起的侧力系数( s r a d ) 巴，q 一由滚转角速度、偏航角速度引起的偏航力矩系数( s r a d ) 其它： x i 常用符号的意义与量纲 g 一重力加速度( n v s 2 ) p 一空气密度( k g m 3 ) 七。一低阶等价系统滚转速率的静态增益 疋一低阶等价系统偏航速率的静态增益 屯低阶等价系统俯仰角的静态增益 丸一低阶等价系统滚转角的静态增益 k 低阶等价系统侧滑角的静态增益，二阶模型 l r 一低阶等价系统偏航速率零点 l t o 一低阶等价系统俯仰角低频零点( 1 s e e ) 1 瓦，一低阶等价系统俯仰角高频零点( 1 s e e ) 1 r , 一低阶等价系统侧滑角零点( 1 s e e ) 1 r ，一低阶等价系统侧滑角零点( 1 s e e ) 1 r , ：一低阶等价系统侧滑角零点( 1 s e e ) 瓦一低阶等价系统的滚转模态时间常数( s e e ) 不一低阶等价系统的螺旋模态时间常数( s e e ) r 。一低阶等价系统滚转传递函数的时延( s e c ) f ，一低阶等价系统偏航传递函数的时延( s e c ) 一低阶等价系统纵向传递函数的时延( s e c ) f 。一低阶等价系统横侧向传递函数的时延( s e e ) 低阶等价系统荷兰滚模态的无阻尼固有频率( r a d s e c ) 。一低阶等价系统长周期模态的无阻尼固有频率( r a d s e c ) 饥低阶等价系统滚转模态的无阻尼固有频率( t a d s e e ) 。一低阶等价系统短周期模态的无阻尼固有频率( r a d s e e ) 厶一低阶等价系统荷兰滚模态的阻尼 。一低阶等价系统长周期模态的阻尼 己一低阶等价系统滚转模态的阻尼 。一低阶等价系统短周期模态的阻尼 x i l 第1 章绪论 1 1 研究目的与意义 第l 章绪论 “飞行员的工作，就是花费难以计数的时间，不厌其烦地处理各种突发事 件”，这是航空界很古老的一句谚语【c m 舭w ，2 0 0 3 1 ，说明了飞行员的工作负担很重。 特别是在飞机发生故障时，即使经验非常丰富的驾驶员往往也不能做出正确的决 策。当然，这种现象的发生有着多方面的原因，其中的一个重要原因则是有很多 故障是飞行员在平时的训练中没有碰到过的，同时故障发生导致本质上具有非线 性特性的飞机模型变为更复杂的非线性特性，要飞行员在短时间内针对这种变化 做出正确的处置对策也是一件很难的事情，而飞行员的不当举措也会导致飞机失 稳，发生可怕的后果。 电传飞行控制系统的广泛使用，在减轻飞行员负担的同时，也使得现代飞机 在飞行包络和机动性方面表现出了更好的性能，并使得其能在各种环境下进行全 二 天候飞行、作战。因此飞控系统成为现代飞机的核心之一，对飞控系统依赖度提 高的同时，人们不得不关注飞控系统的安全性和可靠性问题。 为了提高飞控系统的可靠性，采用硬件冗余技术。所谓硬件冗余就是对于一 些关键部件增加具有同样功能的硬件，如使用多套传感器、作动器及主控计算机 等。实践结果也表明：硬件冗余技术的采用，对飞行控制系统的安全性和可靠性 取到了比较满意的效果。但采用硬件冗余也存在明显的不足，不仅增加飞机重量 及日常维护的费用，而且更为重要的是对于某些关键部位( 如升降舵、副翼、方 向舵、机翼等) 是无法使用硬件冗余技术的，而这些部位发生的故障往往会导致 灾难性的后果。1 9 8 5 年8 月1 2 日，日本航空公司的一架波音7 4 7 s r 飞机从东京 飞往大阪，由于飞机的水平尾翼丢失，飞机在起飞后6 分钟失去控制，造成了世 界历史上最大的空难，导致全部机组人员和5 0 9 名乘客中的5 0 5 人丧生；1 9 9 9 年2 月2 4 日，中国西南航空公司一架图1 5 4 客机( b 2 6 2 2 号) 从成都飞往温州途 中，在下降着陆过程中失速坠毁在距温州机场3 0 公里的地方，6 4 人丧生。经调 查事故原因是由于发生升降舵操纵连杆问题隐患，失去俯仰操控能力而失速坠 地。 实际上，飞机是关于机身纵轴对称的，操纵面也是对称分布的，这种布局使 得飞机的任意一个操纵面的偏转都可以产生不同轴向的附加力矩，因此在飞机的 某个操纵面发生故障后，将与该操纵面对应的另- - 钡j j 的操纵面和其它通道操纵面 的控制作用进行重新计算，把失效操纵面的力和力矩分配到其它功能完好的操纵 第l 章绪论 面上，达到无故障时系统的控制性能，即控制律重构。这种方法不需要增加硬件 需求，同时达到了提高飞控系统安全性和可靠性的目的。 1 9 8 4 年美国n a s a 正式提出了自修复飞控系统( s r f c s ：s e l f - r e p a i r i n gf l i g h t c o n t r o ls y s t e m ) 研究计划。该研究计划的基础是飞机的操纵面存在功能上的冗余， 这是一种与硬件冗余技术不同的控制概念，通过实时进行飞机的故障检测和隔 离，并利用有效的操纵面重构控制律。 1 2 自修复控制研究现状 自从1 9 8 4 年n a s a 正式提出“自修复控制”概念，自修复控制得到