高超声速飞行器容错制导与重构控制

本书主要针对高超声速飞行器在巡航飞行段和再入段发生故障时的容错控制与轨迹重构问题进行研究，重点考虑舵面故障下的高超声速飞行器巡航段和再入段的容错控制问题，所设计的容错控制方法能够在舵面发生卡死、部分失效、饱和等故障情况下，通过重构控制律、自适应调节控制器参数、重新分配控制力矩等方法，充分利用飞行器上所装配的冗余执行机构，保障飞行器的稳定性和安全性，同时恢复关键的追踪性能。此外，本书还对故障下的高超声速飞行器再入轨迹重构和容错制导问题进行了论述。

目录
丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 高超声速飞行器概述 2
1.1.1 基本概念 2
1.1.2 发展概况 3
1.2 高超声速飞行器控制与制导问题概述 7
1.2.1 动力学特性 7
1.2.2 控制与制导的难点与挑战 9
1.3 高超声速飞行器控制与制导问题研究现状 11
1.3.1 高超声速飞行器纵向动态控制 11
1.3.2 高超声速飞行器再入段姿态控制 16
1.3.3 高超声速飞行器再入段制导 19
1.4 故障下的高超声速飞行器容错控制与轨迹重构研究现状 21
1.4.1 高超声速飞行器容错控制 22
1.4.2 高超声速飞行器轨迹重构 24
1.5 本书特点和章 节安排 24
参考文献 26
第2章 高超声速飞行器的运动方程 38
2.1 高超声速飞行器的六自由度运动方程 39
2.1.1 坐标系和状态变量定义 40
2.1.2 质心平动方程 43
2.1.3 绕质心转动方程 46
2.2 高超声速飞行器的纵向运动方程 53
2.2.1 Winged-cone构型飞行器的纵向运动方程 54
2.2.2 弹性高超声速飞行器的纵向运动方程 57
2.3 高超声速飞行器再入段的运动方程 62
2.3.1 再入段质心运动方程 62
2.3.2 再入段姿态模型 64
2.4 本章小结 66
参考文献 67
第3章 高超声速飞行器故障模式简述 69
3.1 高超声速飞行器故障模式 69
3.1.1 推进系统故障 70
3.1.2 制导控制系统故障 72
3.2 高超声速飞行器故障模型 73
3.2.1 执行器故障模型 74
3.2.2 传感器故障模型 75
3.3 高超声速飞行器再入段执行机构容错能力分析 77
3.4 本章小结 79
参考文献 79
第4章 高超声速飞行器舵面故障自适应容错控制 80
4.1 模型预处理及舵面故障建模 81
4.1.1 高度和速度子系统 81
4.1.2 故障下的舵面工作模型 82
4.2 基于自适应反步法和动态面技术的容错控制 84
4.2.1 理论基础 84
4.2.2 控制目标 85
4.2.3 高度跟踪自适应容错控制 86
4.2.4 速度跟踪自适应控制 95
4.2.5 仿真验证 96
4.3 基于高增益观测器的自适应输出反馈容错控制 100
4.3.1 理论基础 101
4.3.2 控制目标 101
4.3.3 基于状态反馈的高度自适应容错控制 102
4.3.4 基于输出反馈的高度自适应容错控制 109
4.3.5 速度跟踪自适应控制 117
4.3.6 仿真验证 118
4.4 本章小结 124
参考文献 125
第5章 考虑控制方向不确定的高超声速飞行器舵面故障容错控制 126
5.1 理论基础 127
5.2 舵面故障建模 129
5.3 基于Nussbaum增益的高度和速度自适应容错控制 130
5.3.1 控制目标 130
5.3.2 模型预处理 131
5.3.3 高度自适应容错跟踪控制 132
5.3.4 速度自适应跟踪控制 138
5.3.5 仿真验证 140
5.4 基于Nussbaum增益的MIMO自适应抗饱和容错控制 144
5.4.1 控制目标 144
5.4.2 模型预处理 145
5.4.3 标称容错抗饱和控制 148
5.4.4 自适应容错抗饱和控制 150
5.4.5 仿真验证 158
5.5 本章小结 163
参考文献 164
附录 165
第6章 考虑舵面偏转约束的高超声速飞行器舵面故障容错控制 169
6.1 基于自适应广义预测控制的容错控制 169
6.1.1 理论基础 170
6.1.2 控制目标 172
6.1.3 模型预处理 172
6.1.4 无故障下的自适应预测控制 175
6.1.5 舵面故障自适应容错预测控制 184
6.1.6 仿真验证 188
6.2 基于多模型预测控制的容错控制 196
6.2.1 理论基础 197
6.2.2 模型预处理 198
6.2.3 控制目标 200
6.2.4 多模型预测容错控制器 200
6.2.5 稳定性分析 205
6.2.6 仿真验证 205
6.3 本章小结 207
参考文献 207
附录 208
第7章 高超声速滑翔再入飞行器姿态容错控制 217
7.1 基于气动舵面和RCS融合控制的再入姿态容错控制（I） 217
7.1.1 舵面RCS融合控制模型 218
7.1.2 控制目标 219
7.1.3 反步法姿态控制器 219
7.1.4 无故障下的控制分配 221
7.1.5 故障下的容错控制分配 223
7.1.6 稳定性证明 227
7.1.7 仿真验证 228
7.2 基于气动舵面和RCS融合控制的再入姿态容错控制（II） 239
7.2.1 再入段姿态模型 239
7.2.2 控制目标 240
7.2.3 滑模姿态控制器 240
7.2.4 容错控制分配 244
7.2.5 稳定性证明 249
7.2.6 仿真验证 252
7.3 基于抗饱和滑模控制的再入姿态容错控制 260
7.3.1 理论基础 260
7.3.2 再入段姿态模型 261
7.3.3 控制目标 263
7.3.4 姿态慢回路控制 263
7.3.5 姿态快回路控制 267
7.3.6 仿真验证 277
7.4 本章小结 282
参考文献 282
第8章 高超声速飞行器直接力/气动力复合容错控制 284
8.1 带矢量发动机的高超声速飞行器模型 285
8.2 模型预处理与故障分析 288
8.2.1 模型预处理 288
8.2.2 故障分析 290
8.3 控制方案设计 290
8.3.1 俯仰通道容错控制设计 291
8.3.2 发动机摆动角设计 295
8.3.3 横侧向反步设计 296
8.4 仿真研究 299
8.5 本章小结 302
参考文献 303
附录 304
第9章 基于NFTET的高超声速飞行器再入容错制导 307
9.1 问题描述 308
9.2 基于反馈线性化的标称再入制导 309
9.2.1 再入约束条件转换 310
9.2.2 标称再入制导律设计 312
9.2.3 仿真验证 316
9.3 基于NFTET的再入容错制导 318
9.3.1 相邻可行轨迹存在定理 319
9.3.2 较小故障下的再入容错制导 321
9.3.3 较大故障下的再入容错制导 323
9.3.4 仿真验证 327
9.4 本章小结 331
参考文献 332
第10章 基于模型预测静态规划的高超声速飞行器再入容错制导 333
10.1 理论基础 334
10.2 再入模型无量纲化处理 336
10.3 改进的MPSP算法 338
10.3.1 标准运动学方程的转化 338
10.3.2 求解敏感度矩阵 339
10.3.3 控制量更新 341
10.4 基于ARUKF的参数估计 344
10.4.1 气动参数模型转换 344
10.4.2 参数估计 345
10.5 轨迹重构与容错制导方案设计 347
10.5.1 初始轨迹生成器设计 348
10.5.2 约束转化 350
10.5.3 重构方案设计 351
10.6 仿真验证 352
10.7 本章小结 357
参考文献 358
第11章 带有状态约束与未知质心变动的高超声速飞行器容错控制 360
11.1 基于自适应神经网络的HSV未知质心变动容错控制 360
11.1.1 带有质心变动的Winged-cone高超声速飞行器模型 360
11.1.2 HSV姿态变质心容错控制器的设计 363
11.1.3 仿真验证 375
11.2 基于Nussbaum增益的HSV质心变动自适应容错控制 380
11.2.1 带有质心变动的X-33再入段姿态模型 380
11.2.2 先验知识 382
11.2.3 X-33姿态系统容错控制算法设计 384
11.2.4 仿真验证 396
11.3 本章小结 402
参考文献 402
附录 404

本书主要针对高超声速飞行器在巡航飞行段和再入段发生故障时的容错控制与轨迹重构问题进行研究，重点考虑舵面故障下的高超声速飞行器巡航段和再入段的容错控制问题，所设计的容错控制方法能够在舵面发生卡死、部分失效、饱和等故障情况下，通过重构控制律、自适应调节控制器参数、重新分配控制力矩等方法，充分利用飞行器上所装配的冗余执行机构，保障飞行器的稳定性和安全性，同时恢复关键的追踪性能。此外，本书还对故障下的高超声速飞行器再入轨迹重构和容错制导问题进行了论述。