飛行控制系統(tǒng)重構(gòu)控制技術(shù)分析

鐘聲

近年來，我國空中交通日益繁忙，對飛行的安全性和可靠性要求也是越來越高，可重構(gòu)飛行控制技術(shù)能有效減小對飛控系統(tǒng)硬件余度的要求條件，運(yùn)用剩余的有效控制機(jī)構(gòu)可以彌補(bǔ)故障與損傷造成飛行器動態(tài)屬性的改變，讓飛行器在發(fā)生較大故障與戰(zhàn)斗損傷（如舵面、翼面結(jié)構(gòu)損壞等）的狀況環(huán)境下，還可以讓飛機(jī)的性能保持在一個(gè)最佳狀態(tài)，讓飛行駕駛員可以繼續(xù)完成任務(wù)或者安全返航。

隨著科技的不斷進(jìn)步，飛機(jī)設(shè)計(jì)也變得更加的復(fù)雜，并朝著多操縱面的方向發(fā)展。多操縱控制面越來越多，更好的滿足了飛行控制系統(tǒng)的重構(gòu)條件。飛行控制系統(tǒng)重構(gòu)控制技術(shù)的研究源于保障飛行安全性的考慮，也就是在故障出現(xiàn)或者遭受意外損傷的狀況下，利用主動容錯控制技術(shù)，對飛機(jī)發(fā)生的故障及損傷進(jìn)行檢測和辨識的基礎(chǔ)上，有效的運(yùn)用控制系統(tǒng)的功能冗余來給予飛行控制律的重構(gòu)，使飛行器可以適應(yīng)故障或者特殊任務(wù)環(huán)境，確保飛行的安全性與可靠性。近年來，我國空中交通日益繁忙，對飛行的安全性和可靠性要求也是越來越高，可重構(gòu)飛行控制技術(shù)能有效減小對飛控系統(tǒng)硬件余度的要求條件，運(yùn)用剩余的有效控制機(jī)構(gòu)可以彌補(bǔ)故障與損傷造成飛行器動態(tài)屬性的改變，讓飛行器在發(fā)生較大故障與戰(zhàn)斗損傷（如舵面、翼面結(jié)構(gòu)損壞等）的狀況環(huán)境下，還可以讓飛機(jī)的性能保持在一個(gè)最佳狀態(tài)，讓飛行駕駛員可以繼續(xù)完成任務(wù)或者安全返航。其研究對于飛行控制系統(tǒng)重構(gòu)控制技術(shù)具有重要的價(jià)值。

一、飛行控制系統(tǒng)重構(gòu)控制技術(shù)研究動態(tài)

重構(gòu)控制概念提出最早的是美國國家航空宇航局（National Aeronautics andSpace Administration）縮寫：NASA，早前的重構(gòu)飛行控制技術(shù)研究范圍比較狹小，重點(diǎn)是對飛機(jī)線性化模型在小擾動環(huán)境下的重構(gòu)控制規(guī)律的設(shè)計(jì)分析。直到1989年，美國俄克拉馬州立大學(xué)的Napolitano等學(xué)者通過長期的研究分析，提出了飛機(jī)控制的重構(gòu)措施，以此生成飛行控制的重構(gòu)算法。當(dāng)前，飛控系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)的研究有了突飛猛進(jìn)的態(tài)勢，如：根據(jù)飛機(jī)具有強(qiáng)耦合性、非線性和時(shí)變性等方面特征的龐大系統(tǒng)，飛控重構(gòu)技術(shù)的研究中心在于不斷提高飛控系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，也就是飛控重構(gòu)技術(shù)的智能化。在將來，對于飛控系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)的研究，將會不斷去完備現(xiàn)有的重構(gòu)控制算法與增益調(diào)節(jié)控制律的聚集，更好的讓飛控重構(gòu)技術(shù)具有運(yùn)用潛力與適應(yīng)靈活性。下面將對當(dāng)前最熱門的飛控系統(tǒng)重構(gòu)方法進(jìn)行探討，包括關(guān)于故障信息進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)的方法與不需要故障信息的方法。

二、飛行控制系統(tǒng)重構(gòu)控制的方法

1、關(guān)于故障信息進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。關(guān)于故障信息進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)的方法主要包括偽逆法和多模型自適應(yīng)法等。一是偽逆法。在飛行控制系統(tǒng)重構(gòu)控制中偽逆法是一類非常常用的重構(gòu)控制方法，偽逆法具有算法單一，實(shí)現(xiàn)簡便，使得在理論研究與飛行驗(yàn)證中被大量的運(yùn)用。偽逆法（P IM：Pseud021nverse M ethod）主要是通過改變反饋增益來實(shí)現(xiàn)故障系統(tǒng)重構(gòu)的的一種控制方法。也就是在原系統(tǒng)的輸入陣前乘以一個(gè)偽逆陣，所以也叫做偽逆法。運(yùn)用偽逆法，主要是當(dāng)針飛控系統(tǒng)操縱面損壞故障，也就是利用飛機(jī)飛行的故障信息動態(tài)篡改系統(tǒng)的反饋控制增益，使得系統(tǒng)在故障信息重構(gòu)后達(dá)到以接近正常狀況下的性能給予飛行控制。偽逆法雖然是一種簡單有效的重構(gòu)控制方法，但是優(yōu)點(diǎn)也非常明顯，就是在重構(gòu)方案中無需改變已有的飛行控制律，只要在控制律與作動器中增加一個(gè)“控制混合器”?？刂苹旌掀魇且呀?jīng)離線設(shè)計(jì)好的，在飛機(jī)飛行中，能夠根據(jù)各種故障狀況切換到各種工作模式。

二是多模型自適應(yīng)法，多模型自適應(yīng)法是對飛行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)受損或者失效狀況下，飛行控制規(guī)律重構(gòu)的一種技術(shù)方案。多模型自適應(yīng)法是以一個(gè)有限集為假設(shè)前提，在這個(gè)有限集里面可以全方位描述飛行控制系統(tǒng)會發(fā)生的各類損傷問題，同時(shí)在飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)里面構(gòu)建多個(gè)損傷辨識模型和相對應(yīng)的控制器，而且這些控制器可以確保相應(yīng)的辨識模型范圍內(nèi)完全大的集合內(nèi)魯棒，這樣就能使得集合之間可以彼交迭，才能夠確保重構(gòu)控制設(shè)計(jì)解的存在。多模型自適應(yīng)法是對整個(gè)飛行控制重構(gòu)系統(tǒng)里面可能發(fā)生的損傷模型構(gòu)建起相應(yīng)的觀測器，觀測器會跟飛行器并行運(yùn)動，并且實(shí)時(shí)的探尋最接近當(dāng)前實(shí)際情況的模型，并轉(zhuǎn)換到相符合的控制器，達(dá)到適應(yīng)不同類型的故障環(huán)境問題。利用多模型自適應(yīng)法，存在的問題就是飛行控制系統(tǒng)的整體魯棒性很難評定。

2、不需要故障信息的方法。飛行控制系統(tǒng)重構(gòu)控制中不需要故障信息的方法主要包括了直接自適應(yīng)法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)重構(gòu)控制方法等。接下來我將對：直接自適應(yīng)法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)重構(gòu)控制方法進(jìn)行分析。一是直接自適應(yīng)法。直接自適應(yīng)法具有不需要知道故障的信息，只需要故障后的飛機(jī)滿足系統(tǒng)正實(shí)性的條件，以此運(yùn)用自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)故障飛機(jī)跟隨參考模型的輸出，就能夠重構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定。自適應(yīng)控制方法具有有效性，需要在特定的限制條件下進(jìn)行。二是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)重構(gòu)控制方法?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)重構(gòu)控制方法具有一個(gè)非常明顯的特征，就是無需事先知道故障的位置與大小，也沒有對系統(tǒng)參數(shù)辨識的必要。作為以非線性飛行控制系統(tǒng)為研究對象的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)重構(gòu)控制方法就可以對飛行控制系統(tǒng)在故障狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)跟蹤參考模型的輸出。但是該方法有明顯的優(yōu)點(diǎn)，也同時(shí)有一個(gè)非常大的缺點(diǎn)，無法確保和評估重構(gòu)控制律后控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與收斂性。同時(shí)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度也需要一定的時(shí)間。