中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院民用飛機(jī)模擬飛行國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黃 帥 李正強(qiáng) 喬文峰 王振華
現(xiàn)代飛行器電傳飛行控制系統(tǒng)作用日益重要,由于其結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,因此電傳飛行控制系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性成為需要解決的首要問(wèn)題。自修復(fù)飛行控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)在使用過(guò)程中能夠自行感知外部的環(huán)境變化,對(duì)自身的失效形式、故障等做出自診斷,并以一種優(yōu)化的方式對(duì)環(huán)境變化做出響應(yīng),不斷自動(dòng)調(diào)整自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu),通過(guò)自生長(zhǎng)或原位復(fù)合等再生機(jī)制,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、隔離、自愈、修復(fù)、修補(bǔ)某些局部破損,最終達(dá)到預(yù)防和減免故障,實(shí)現(xiàn)民機(jī)飛控系統(tǒng)安全高效、長(zhǎng)壽命、高可靠性的要求,并允許系統(tǒng)處于更大范圍的故障情況,保證安全操作或理想的操縱品質(zhì),提高大型民機(jī)安全性。
自修復(fù)飛控系統(tǒng)分為故障檢測(cè)與隔離和系統(tǒng)重構(gòu)兩個(gè)重要部分,前者對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)、隔離、模式識(shí)別等,并由后者針對(duì)識(shí)別出的當(dāng)前系統(tǒng)模型重構(gòu)控制律。先進(jìn)自修復(fù)飛行控制技術(shù)在提高飛行安全性和任務(wù)效能方面有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用空間。
自修復(fù)飛行控制的研究始于美國(guó)空軍20世紀(jì)80年代進(jìn)行的“2010年下一代技術(shù)”研究重點(diǎn)之一的自修復(fù)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。隨后,由洛克希德·馬丁公司將“自設(shè)計(jì)飛行控制器(SDFC)”用于RESTORE計(jì)劃,并已成功地在F-16飛機(jī)上進(jìn)行了試飛。近年來(lái),波音公司在RESTORE項(xiàng)目上研發(fā)出了基于在線(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)態(tài)逆的自修復(fù)控制系統(tǒng),并以X-36飛機(jī)為載機(jī)試飛成功,它標(biāo)志著自修復(fù)飛行控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了新的水平。
我國(guó)在“九五”期間開(kāi)展了自修復(fù)飛行控制技術(shù)研究,并對(duì)自修復(fù)系統(tǒng)在多種舵面故障和損傷情況下的故障檢測(cè)和隔離以及控制自修復(fù)進(jìn)行了地面半物理仿真試驗(yàn),初步驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)方案的可行性,取得了一批階段性的成果。目前,國(guó)外已在現(xiàn)代高性能殲擊機(jī)飛控系統(tǒng)中完成了飛行驗(yàn)證,而國(guó)內(nèi)重構(gòu)控制的研究尚處于起步階段。1993年航空科學(xué)基金才首次資助飛機(jī)重構(gòu)控制系統(tǒng)的研究,北京航空航天大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等院校相繼獲得資助項(xiàng)目。自20世紀(jì)90年代以來(lái),航空專(zhuān)業(yè)相關(guān)大學(xué)研究小組進(jìn)行了智能故障診斷與智能重構(gòu)控制的研究,提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線(xiàn)性魯棒故障診斷和基于自適應(yīng)能力的逆重構(gòu)控制等方案。隨著研究的深入,智能重構(gòu)技術(shù)必將在航空航天及復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的可靠性控制中發(fā)揮重要作用。
自修復(fù)控制的目標(biāo)就是在一定范圍內(nèi)遭受損失和出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)仍能維持操縱品質(zhì)。相較過(guò)去的魯棒控制設(shè)計(jì)方法,自修復(fù)控制的重點(diǎn)涉及在線(xiàn)參數(shù)辨識(shí)、控制重新設(shè)計(jì)以及對(duì)降級(jí)飛行模態(tài)及其組合的適應(yīng)。傳統(tǒng)的飛行控制自修復(fù)的方法帶來(lái)了4個(gè)重要且相對(duì)獨(dú)立的問(wèn)題:(1)故障檢測(cè);(2)故障隔離和識(shí)別;(3)降級(jí)系統(tǒng)的辨識(shí);(4)飛行控制自修復(fù)以適應(yīng)降級(jí)的傳感器/作動(dòng)器、機(jī)體結(jié)構(gòu)。此外,對(duì)于飛行控制自修復(fù)必須考慮實(shí)時(shí)性的問(wèn)題,由于增益調(diào)節(jié)需要辨識(shí)相對(duì)準(zhǔn)確的飛機(jī)低頻動(dòng)力學(xué)特性,因而大大提高了技術(shù)的難度和復(fù)雜度。傳統(tǒng)方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是所確認(rèn)的主要問(wèn)題通常必須連續(xù)求解。每一層的設(shè)計(jì)都需要在適用性以及所用算法的精度和速度方面進(jìn)行折中。因而,在上面列舉的問(wèn)題中,越往下技術(shù)的成熟度就越低。當(dāng)前,相對(duì)機(jī)體上大規(guī)模非對(duì)稱(chēng)的多個(gè)潛在故障源的情況,使用現(xiàn)代線(xiàn)性控制理論以解決飛行控制自修復(fù)問(wèn)題,尚不存在可靠的方法。另一方面,故障檢測(cè)、傳感器故障的隔離、在傳感器降級(jí)條件下的狀態(tài)估計(jì)等方面卻是相對(duì)成熟的領(lǐng)域,已有許多成功的應(yīng)用。因此,比較困難的是設(shè)計(jì)容錯(cuò)飛行控制系統(tǒng),使之能夠適應(yīng)在作動(dòng)器和機(jī)體方面出現(xiàn)的非對(duì)稱(chēng)故障。
自修復(fù)飛行控制技術(shù)集中在仿生自修復(fù)控制系統(tǒng)、自修復(fù)控制理論和方法的研究,它涉及到狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)、人工智能技術(shù)、主動(dòng)和自適應(yīng)控制技術(shù)、信息和計(jì)算機(jī)技術(shù)等[1]。用于自修復(fù)控制設(shè)計(jì)的方法通常有:線(xiàn)性二次調(diào)節(jié)器方法、特征結(jié)構(gòu)配置、多模型方法、自適應(yīng)控制、偽逆法、變結(jié)構(gòu)以及模型跟隨等,下面介紹幾種重要的方法。
(1)自適應(yīng)定量反饋(QFT)自修復(fù)控制方法。
自適應(yīng)QFT自修復(fù)控制方法的基礎(chǔ)是定量反饋理論、預(yù)測(cè)技術(shù)(PDT)和降階線(xiàn)性動(dòng)態(tài)逆控制器(RLDI)。QFT/PDT/RLDI控制器可以對(duì)模型不確定性提供穩(wěn)定性和魯棒性,從而使得這種方法成為自修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)具有應(yīng)用價(jià)值的選擇。自適應(yīng)自修復(fù)控制律的基本結(jié)構(gòu),如圖l所示。該方法的主要特點(diǎn)是將自適應(yīng)濾波器與QFT補(bǔ)償器串接,從而利用了標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)象不確定性的固有魯棒性。自適應(yīng)濾波器使用了濾波最小方差算法(LMS)和模型參考自適應(yīng)控制的結(jié)構(gòu),從而可以實(shí)時(shí)補(bǔ)償偏離標(biāo)定系統(tǒng)的動(dòng)力特性,以充分發(fā)揮外回路的魯棒性。該方法不需要對(duì)故障系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)。
(2) 偽逆法。
偽逆法在20世紀(jì)80年代末和90年代初得到了廣泛的研究,因其在系統(tǒng)穩(wěn)定性上的問(wèn)題目前有所下降。它假定系統(tǒng)模型是線(xiàn)性定常模型,當(dāng)操縱面發(fā)生故障時(shí),可利用剩余無(wú)故障操縱面進(jìn)行適當(dāng)?shù)木€(xiàn)性組合,重構(gòu)故障操縱面信號(hào),這通常表現(xiàn)為在原輸入陣前乘一個(gè)偽逆陣,所以稱(chēng)其為偽逆法,如下式所示:
偽逆法是故障發(fā)生時(shí),首先進(jìn)行故障的檢測(cè)、隔離和估計(jì),然后通過(guò)修改反饋增益,使重構(gòu)后的系統(tǒng)性能接近正常飛行器性能。它引人注目的一個(gè)主要原因是其在計(jì)算和應(yīng)用上極為簡(jiǎn)單。在20世紀(jì)80年代,許多學(xué)者對(duì)偽逆法在飛控系統(tǒng)重構(gòu)控制方面的應(yīng)用做了大量的理論研究和仿真計(jì)算,并在F-15驗(yàn)證機(jī)上進(jìn)行了飛行驗(yàn)證,表明這是一種有效的重構(gòu)控制方法。偽逆法可對(duì)未知故障進(jìn)行在線(xiàn)計(jì)算和調(diào)整,但這時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題,致使偽逆法失效,即系統(tǒng)的偽逆法解無(wú)法保證重構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,這對(duì)于它在線(xiàn)調(diào)整是不利的。
(3)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直接自適應(yīng)控制方法。
圖1 自適應(yīng)QFT自修復(fù)控制系統(tǒng)基本構(gòu)型
圖2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)自修復(fù)飛行控制系統(tǒng)構(gòu)型
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Network,NN)的直接自適應(yīng)自修復(fù)控制方法,是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)[2]。在RESTORE計(jì)劃中,波音公司使用的就是這類(lèi)方法,它在顯模型跟隨框架下以動(dòng)態(tài)逆控制律為基礎(chǔ),并附加自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其自修復(fù)控制律的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)回路用動(dòng)態(tài)逆對(duì)標(biāo)稱(chēng)模型線(xiàn)性化,采用描述理想響應(yīng)特性的n階指令模型對(duì)線(xiàn)性化的對(duì)象設(shè)計(jì)顯模型跟隨控制律。在線(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于自適應(yīng)地調(diào)節(jié)所用標(biāo)稱(chēng)模型和真實(shí)對(duì)象間的逆誤差。逆誤差可能來(lái)自建模不確定性或故障/損傷。通過(guò)監(jiān)測(cè)n階指令模型和真實(shí)對(duì)象間的跟蹤誤差,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以探知逆誤差,從而產(chǎn)生信號(hào)去抵消它的影響,增強(qiáng)n階指令模型對(duì)逆控制器的輸入。在出現(xiàn)故障/損傷后,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定飛行器的能力,而不需要對(duì)穩(wěn)定和控制導(dǎo)數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)和估計(jì),這樣就降低了系統(tǒng)辨識(shí)在整個(gè)自修復(fù)控制律中的關(guān)鍵性。在線(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)了逆控制器的指令并自適應(yīng)地抵消了逆誤差,從而獲得理想的閉環(huán)動(dòng)力特性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用了一個(gè)Sigma-pi結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性基函數(shù)的展開(kāi),以便在每個(gè)軸進(jìn)行自適應(yīng)控制。
(4)基于多模型的故障檢測(cè)隔離/自適應(yīng)自修復(fù)控制(FDI-ARC)方法。
該方法建立在多模型、轉(zhuǎn)換和校正(MMST)等概念的基礎(chǔ)上,是嚴(yán)重機(jī)翼?yè)p傷情況下魯棒控制自修復(fù)問(wèn)題的唯一可行解決方案。如圖3所示,整個(gè)方案包括多個(gè)并行的辨識(shí)模型(模型l~N)、相應(yīng)的控制器(控制器1~N)以及適當(dāng)選擇的轉(zhuǎn)換機(jī)制(轉(zhuǎn)換/插值邏輯)。轉(zhuǎn)換機(jī)制的作用就是發(fā)現(xiàn)最符合當(dāng)前工作狀態(tài)的模型,并轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的控制器以得到得到改善的整體性能。該方法以一個(gè)有限集就可以描述不同的損傷情況的假設(shè)為基礎(chǔ)。整個(gè)設(shè)計(jì)包括幾步,其中之一就是為每個(gè)模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器??刂破骺梢员WC在每個(gè)模型周?chē)浞执蟮募蟽?nèi)魯棒,并使這些集合間相互交迭,從而保證自修復(fù)控制設(shè)計(jì)的解存在。整個(gè)系統(tǒng)建立在適當(dāng)選擇的針對(duì)每種損傷模型而設(shè)計(jì)的觀(guān)測(cè)器的基礎(chǔ)上,觀(guān)測(cè)器并行運(yùn)行以尋找最接近當(dāng)前工作狀態(tài)的模型,并切換到相應(yīng)的控制器。所選擇的切換順序要保證整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)和理想性能有界。
(5)可重構(gòu)滑模變結(jié)構(gòu)控制算法。
滑模變結(jié)構(gòu)方法用于可重構(gòu)控制是由Shtessel和Buffington提出來(lái)的,它本質(zhì)上是一個(gè)魯棒控制器,能夠自適應(yīng)地處理作動(dòng)器位置和速率限制。Shtessel等[3]提出來(lái)的控制是兩環(huán)串行結(jié)構(gòu)的,最終目標(biāo)就是要跟蹤給定的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角。外環(huán)給內(nèi)環(huán)提供角速度指令,外環(huán)設(shè)計(jì)用標(biāo)準(zhǔn)的魯棒滑??刂萍夹g(shù)。內(nèi)環(huán)也是滑??刂破?,但是它對(duì)作動(dòng)器的幅值和速率限制有自適應(yīng)性。Shtessel等[3]研究顯示通過(guò)調(diào)節(jié)邊界層的厚度可以避免積分飽和作動(dòng)器的幅值和速率限制。系統(tǒng)的跟蹤性能和邊界層厚度是一對(duì)矛盾。它給了一個(gè)直覺(jué)上的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。Shtessel等[3]把多環(huán)滑??刂朴迷贔-16和創(chuàng)新控制面飛機(jī)上。這個(gè)方法得到了很好的跟蹤結(jié)果,且不需要對(duì)故障模型進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。通過(guò)自適應(yīng)的調(diào)節(jié)滑動(dòng)模態(tài)面的有界層來(lái)解決作動(dòng)器帶寬限制問(wèn)題。Hess和Wells共同提出了基于自適應(yīng)觀(guān)測(cè)器的滑模控制方法,并在F-18和創(chuàng)新控制面飛機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。
圖3 基于多模型的FDI-ARC基本結(jié)構(gòu)
可重構(gòu)滑模變結(jié)構(gòu)方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是作為一種魯棒控制技術(shù),它能夠處理很多結(jié)構(gòu)性的故障,這些故障改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,而不僅僅是一些假定的不確定性;二是在線(xiàn)的邊界層自適應(yīng)性可以處理部分的作動(dòng)器面缺失故障,而且能避免作動(dòng)器位置限制和積分飽和,但降低了跟蹤特性。
可重構(gòu)滑模變結(jié)構(gòu)方法也有兩個(gè)不足:一是首先它假定輸入矩陣是方陣或者可逆。對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō),這意味著對(duì)于每個(gè)控制變量,飛機(jī)必須有且僅有一個(gè)控制面,而且控制面不能有缺失。Shtessel等[3]考慮了控制面部分缺失的故障重構(gòu)問(wèn)題,但控制面的浮動(dòng)和卡死是不容易解決的,需要增加一個(gè)控制分配模塊。二是因?yàn)樗墓收项?lèi)型很多,所以控制器不可避免比較保守。
重構(gòu)飛行控制技術(shù)在本質(zhì)上是一種容錯(cuò)飛行控制技術(shù),它使飛控系統(tǒng)可以適應(yīng)未知故障和損傷,從而保證安全性和維持適當(dāng)?shù)牟倏v品質(zhì)。先進(jìn)重構(gòu)飛行控制技術(shù)在原有基礎(chǔ)上更強(qiáng)調(diào)自適應(yīng)能力,不再依賴(lài)故障診斷和隔離(FDI)系統(tǒng),因而促進(jìn)了魯棒控制、智能控制和自適應(yīng)控制技術(shù)的交叉和融合。未來(lái)的重構(gòu)控制技術(shù)將是在自適應(yīng)概念下對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)一步綜合和拓展,并必然朝著智能化的方向發(fā)展[4-6]。
波音公司在RESTORE 項(xiàng)目上的成功,是重構(gòu)飛行控制技術(shù)發(fā)展的里程碑事件,同時(shí)也凸顯了先進(jìn)重構(gòu)飛行控制技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì):
(1) 實(shí)時(shí)性能和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。在故障損傷后具有適當(dāng)?shù)幕謴?fù)速度,以維持操縱品質(zhì)和保證安全。
(2) 不是高增益控制,不會(huì)惡化結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合特性。
(3) 在恢復(fù)過(guò)程中不依賴(lài)參數(shù)辨識(shí),同時(shí)也限制了故障后針對(duì)控制重新分配問(wèn)題中參數(shù)辨識(shí)的范圍。
(4) 大大削減飛控設(shè)計(jì)中對(duì)于精確氣動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的需要。
(5) 大幅度地減少現(xiàn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中大量的離線(xiàn)分析、試飛調(diào)參和確認(rèn)以及由可能的故障狀態(tài)所引發(fā)的不確定量的軟件編碼、調(diào)試、修改以及驗(yàn)證和確認(rèn)(V&V)的工作量,從而大大減少新飛機(jī)開(kāi)發(fā)中的相關(guān)研制費(fèi)用。
特別是后兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì),使得先進(jìn)重構(gòu)控制技術(shù)已經(jīng)超出了自修復(fù)技術(shù)的范疇,成為一種經(jīng)濟(jì)、有效的先進(jìn)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。這是對(duì)完全基于精確模型和頻繁在線(xiàn)增益調(diào)節(jié)的經(jīng)典設(shè)計(jì)技術(shù)的超越,由此帶來(lái)的效益和應(yīng)用潛力值得特別關(guān)注,并成為發(fā)展先進(jìn)重構(gòu)控制技術(shù)的又一主要推動(dòng)力。重構(gòu)技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景,先進(jìn)飛行重構(gòu)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使它在飛控領(lǐng)域的應(yīng)用范圍大大加寬。
雖然重構(gòu)飛行控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了20多年的歷史,從目前發(fā)展情況來(lái)看,還缺乏實(shí)用性。一個(gè)重要的原因是新的重構(gòu)控制系統(tǒng)要替代現(xiàn)有的控制系統(tǒng),但是新的重構(gòu)控制系統(tǒng)還缺乏充分的評(píng)估和確認(rèn)。相比較之下,現(xiàn)有控制系統(tǒng)在正常工作情況下已經(jīng)得到了驗(yàn)證,是比較完善的,研究人員開(kāi)始考慮在現(xiàn)有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加以擴(kuò)展升級(jí),使之具有重構(gòu)控制功能。Wohletz[7]等針對(duì)民用飛機(jī)在現(xiàn)有控制律的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型重構(gòu)控制方案,應(yīng)用基于模型參考自適應(yīng)的直接自適應(yīng)方法構(gòu)建了重構(gòu)控制律,將重構(gòu)功能作為一個(gè)模塊添加到原系統(tǒng)中。
文獻(xiàn)[8-10]對(duì)現(xiàn)有控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí),使其具備重構(gòu)功能,而不是完全以新的重構(gòu)控制系統(tǒng)替換現(xiàn)有系統(tǒng)的重構(gòu)設(shè)計(jì)方案,提出了并行結(jié)構(gòu)和串行結(jié)構(gòu)兩種方案。新型重構(gòu)控制系統(tǒng)實(shí)用化的一個(gè)障礙,是以自適應(yīng)和智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為特點(diǎn)的先進(jìn)重構(gòu)控制系統(tǒng)的評(píng)估和確認(rèn)工作還亟待建立和完善。文獻(xiàn)[11-12]對(duì)自適應(yīng)和智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在飛行控制中應(yīng)用的評(píng)估和確認(rèn)工作進(jìn)行了研究。
對(duì)于先進(jìn)重構(gòu)飛行控制技術(shù),國(guó)外已確認(rèn)了下一步的研究領(lǐng)域。其中之一就是進(jìn)一步完善先進(jìn)重構(gòu)算法和增益調(diào)節(jié)控制律的結(jié)合,以提高先進(jìn)重構(gòu)飛控技術(shù)的過(guò)渡潛力和應(yīng)用靈活性。此外,在現(xiàn)有的研究結(jié)果上還需要額外的駕駛仿真和試飛,以全面地研究人機(jī)耦合、大迎角操縱以及面向全包線(xiàn)、全任務(wù)的技術(shù)應(yīng)用,如起飛和著陸等。
先進(jìn)自修復(fù)飛行控制技術(shù)是一種可行、高效和彈性的融合技術(shù),它不僅可以用在民用和軍用有人駕駛飛機(jī)上,有效地保證安全性和操縱品質(zhì),在無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)的開(kāi)發(fā)上更是一種可行、高效和彈性的先進(jìn)技術(shù)手段,它可使飛機(jī)具有故障后繼續(xù)攻擊,或安全返航的能力,取得提高機(jī)械效率,減少能源和材料消耗的效果;可有效縮短研制周期和降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用,以大幅度地提高作戰(zhàn)效能和使用效率。因此,自修復(fù)飛控系統(tǒng)技術(shù)將具有廣泛的應(yīng)用前景。
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