姜斌，南京航空航天算夜学副校长、教授IEEE/CAA Fellow
以下是姜斌教授的演讲实录：
空间智能的智能紧张表示在诊断方面的智能和掌握方面的智能两个方面，工具是高超声速翱翔器。我的报告分为四个部分，首先是研究背景；然后先容我们的理论事情；第三是仿真平台的研制；末了是展望。
一、研究背景
性能关键的新型运用系统，比如航空航天器、智能电网系统等，它们的特点是事情范围很广、非线性特性强、参数不愿定性大、系统故障危险性高和构造损伤问题严重，这些系统故障和构造损伤等可能导致严重的后果。
例如，2010和2011年美国的X-51A高超音速器翱翔器，由于发动机与机身喷管的密封故障，或者进气道不启动，导致发射失落败；2014年美国高超声速导弹AHW，由于升空后快速偏离航线试射失落败。以是，新型运用系统的发展，急迫须要更高层次的掌握理论和技能，便是本日要先容的自愈合掌握。
自愈合掌握的含义便是在掌握系统有故障的条件下，通过自动重构和调节来规复并保持空想性能的掌握技能。其技能特点因此自适应掌握为紧张手段，同时领悟鲁棒、容错掌握等技能，肃清系统不掌握系统的要素紧张有容错掌握能力、自适应掌握能力、非线性掌握能力，知足系统基本性能哀求，系统在故障下稳定性和空想跟踪。
（一）国内外高超声速翱翔器的发展情形
高超声速翱翔器是一类近空间翱翔器，它离地面是20~100公里，比飞机的最高翱翔高度还要高，但比卫星的最低轨道要低，以是位于空间之间。近空间翱翔器便是在近空间领域高度层来进行活动的翱翔器。最早由美国NASA提出，然后进行了一些研制发射，最初的目的也是用于军事信息采集。
近空间翱翔器分为低速和高速两类，低速包括高空气球、平流层飞艇。今天主要先容高速翱翔器，包括高超声速巡航导弹、侦察机和轰炸机这三大类，大于5个马赫数。
未来战役的特点——全空域立体化趋势表明，要实现高有效、持续的 C4 I RS，也便是指挥、掌握、通讯、打算机、情报、侦查、监视、覆盖乃至全域感知。因此大力发展高超声翱翔器及其干系技能，已成为各国争相研究的热点。下面先容一些国外这方面的情形。
美国的一种高超声翱翔器X-33，机长20.89米、机高5.88米、翼展22.06 米，垂直起降，亚轨道翱翔，1996年开始研制，2001年结束，耗资巨大近12亿美元；后来对它进行了尺寸缩小的研制，体积是X-33的1/5，也经由了一些发射，有成功，有失落败。第二种是X-37b，机长8.5米、机高2.9米、机翼4.9米，最高翱翔速率达到25马赫数，非常快，1996年提出来，陆续也进行了多少次发射。
俄罗斯的“匕首式”空射高超声速导弹，速率10马赫数以上，具有机动变轨、高精度等优点，2017年投入战斗值班；其“先锋号”是大气层外的高超声速翱翔器，速率最高可达20马赫数，升力体构造，机动性强。
我国也研制了高超声速翱翔器发射，并进行了较短暂的翱翔。如“凌云”吸气式高超声速翱翔器由国防大学研制，翱翔速率超过6马赫数；由中国航天科技集团研制的“星空二号”乘波体高超声速翱翔器，速率也达到了5.5~6马赫数。我们在这方面是积极的追赶。
（二）高超声速翱翔器模型
高超声速翱翔器可以采取锥形体、升力体、翼面领悟体和乘波体等气动布局。
锥形体是一种轴对称的比较常见的常规布局，优点便是技能比较成熟、升阻比较大。
升力体高超声速翱翔器没有常规翱翔器的机翼，而是用三维设计的翼身产生升力，构型特点便是具有较强的升阻比和机动性能。这种气动布局肃清了机身阻力和机翼与机身间的滋扰，提高了升阻比。
翼面领悟体是由翱翔器的机翼与机身两个部件领悟而成的一体化布局，两者没有明显的界线，优点是构造重量轻、内部容历年夜、气动阻力小，可使翱翔器的翱翔性能有较大改进，并且由于肃清了机翼与机身交卸处的直角，翼面领悟体也有助于减少雷达反射截面积，改进隐身性能。
乘波体的特点便是高下表面可以分开处理，有效简化了翱翔器的初步设计和打算过程。
（三）建模
做掌握首先要有建模，下图是高超声速翱翔器的姿态系统动力学模型。我们南京航空航天算夜学有风洞实验室，也进行高超声速的一些风洞实验，供应数据后可以得到它的参数，建立模型。
下图是高超纵向系统动力学模型。在一定条件下可以把它描述为仿射边线范畴，并通过模糊T-S模型表示，高超声速个中的一个特点是翱翔速率快、灵巧性高、机动性强，它的寻衅便是强耦合、繁芜非线性，而且气动参数变革很快。
由于高超声速翱翔器的非线性、强耦合、高速率、多任务、大包线、大时变，大幅变、翱翔状态快速改变，而且翱翔速率很快，翱翔环境很繁芜，所有这些成分将会导致飞控系统产生不同类型的故障，使系统的动态性能低落乃至失落效，严重的会导致巨大丢失和灾害。
高超声速翱翔器的故障大体上分为实行器故障、传感器故障和构造故障三类。
研究高超声速翱翔器自愈合掌握具有主要的意义，一是知足国家重大计策需求，对国防培植有主要意义；二是知足掌握理论技能发展高度哀求；三是有助于更多新型运用系统的自愈合掌握技能发展。
二、理论研究
我们在国家自然科学基金委重大研究操持项目和重点基金这两个项目的帮助下，长期从事自适应、非线性容错掌握研究及高超声速翱翔器掌握运用，取得了一系列研究成果。
（一）姿态系统实行器故障被动容错掌握
我们的思想便是用一组T-S模糊系统来近似描述高超声速翱翔器的一个繁芜非线性姿态掌握系统，采取模型参考进行掌握。
采取模型参考自适应掌握，对实行机构掌握增益部分丢失故障，设计模糊容错掌握器，担保闭环姿态掌握系统在故障情形下仍旧能跟踪指令。图1是其事情掌握构造示意图。
图1 基于模型参考自适应掌握技能的被动容错掌握构造
在1s时升降舵失落效40%，副翼输入失落效70%。通过这个反应看出能实现比较好的相应，实现跟踪等，实验结果2010年揭橥在IEEE Transactions on Fuzzy Systems上。
（二）姿态系统实行器故障和操纵面损伤容错掌握
这套系统采取分散式容错掌握算法，对实行器故障和操作面损伤能够掌握，它的特点便是充分考虑实行器回路动态。然 后利用两个FBI 单元，一个用于实行器的损伤和卡去世辨识；另一个基于不雅观测器的赞助系统用来将操作面损伤故障和滋扰隐蔽进去。如图2所示。
图2 姿态系统实行器故障和操纵面损伤容错掌握
我们也进行了一些相应研究，结果显示攻角、侧滑角、航迹滚转角，以及左、右内侧副翼实行器故障辨识都达到了一个较空想的效果，结果2015年揭橥在IEEE Transactions on Industrial Electronics上。
（三）姿态系统实行器故障容错抗饱和掌握
上面是高超姿态系统钢体模型。考虑它的偏幸力矩和惯性矩阵的变革，当实行器故障发生时，通过实行器传输过来的掌握旗子暗记表示有实际故障发生。
我们要考虑输入受限或者是作动器饱和，这也是实际中常见的征象，要知足这种约束。
这里的技能难点是，质心会变动引起系统构造不愿定，掌握输入存在约束，实行器故障及损伤，存在外部扰动，这些成分非常繁芜。我们采取的技能路线便是，首先设计自适应滑模不雅观测器，估计质心变动引起的系统不愿定、实行器故障及损伤及外部扰动；然后设计自适应实行器容错策略，补偿由质心变动引起的系统不愿定、实行器故障和损伤，以及外部扰动并办理受限问题。
高超容错抗饱和自适应掌握构造，如图3所示。
图3 高超容错抗饱和自适应掌握构造
我们也进行了一些相应实验，研究结果2019年揭橥在导航、制导掌握国际顶级期刊AIAA Journal of Guidance,Control and dynamics上。
（四）纵向系统构造故障主动容错掌握
这里面分两种情形，首先不考虑高度成分，用奇异摄动模型来表示。
针对发生实行器故障和受外部扰动的高超声速翱翔器纵向系统，建立奇异摄动模型，给出一种基于奇异摄动理论的容错掌握方法；提出一种基于奇异摄动系统的解耦掌握算法，设计了一个组合形式的状态反馈掌握器，实现了高超声速翱翔器纵向闭环系统的IS 稳定。图4示出了基于奇异摄动理论的容错掌握构造。速率和俯仰角相应，以及攻角和俯仰角速率相应的研究结果，2019年揭橥在IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems上。
图4 基于奇异摄动理论的容错掌握构造
其余，我们基于奇异摄动理论系统建模（见下图），这里考虑了高度成分。针对（V,q）系统设计故障诊断不雅观测器，所设计的故障诊断算法担保诊断偏差同等有界，且界是可调的。不考虑系统间的耦合，基于故障诊断不雅观测器得到的故障信息，设计容错掌握器，所设计的容错掌握算法担保闭环系统的ISS性子。考虑系统间的耦合，布局小增益条件，担保全体闭环系统的ISS。
相应的相应结果，2019年我们揭橥在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics里，这是两个协会合办的一个顶刊。
（五）纵向系统掌握方向不愿定条件下自适应容错掌握
纵向动态系统模型的技能难点便是不仅存在不愿定参数、掌握输入存在约束，而且失落控故障、驱动符号不愿定，以及存在未建模耦合动态和外部扰动。我们的采取技能路线是，在模型参数已知情形下，如果先不考虑实行器故障、输入受限及外部扰动，采取反馈线性化技能，设计标称掌握器；考虑它们，则采取Anti-windup改动技能，设计标称容错掌握器。在模型参数未知情形下，考虑它们则利用RBF神经网络近似未建模动态，Nussbaum增益函数处理驱动符号不愿定性，设计自适应容错掌握器。自适应容错抗饱和掌握构造，如图5所示。这个结果2019年揭橥在IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems上。
图5 自适应容错抗饱和掌握构造
三、仿真平台的研制
仿真平台的研制分为三个部分，第一个是故障检测与估计仿真平台；第二个是容错掌握可视化仿真平台；第三个是高超声速翱翔器半物理仿真平台。
（一）故障检测与估计仿真平台
我们希望通过仿真平台，在更靠近实际情形下来验证提出的诊断容错办法的有效性。
MATLAB/Simulink环境为高超声速翱翔器的特性建模、掌握律、故障诊断算法的设计供应了集成环境，提高了设计效率。但是这种环境是离线的、非实时的，不敷以反响高超声速翱翔器实际飞控系统的繁芜真实特性。为了研制仿真平台，必须在基于模型的故障诊断事理之上，抽象细化功能的归类，便于全体故障诊断任务的实现。
仿真平台的功能软件构造包括三部分，一是高超声速翱翔器模型；二是掌握和故障系统；三是监控系统，包括故障诊断信息显示、仿真监控。其硬件构造包括模型仿真打算机、掌握和故障诊断打算机、监控打算机。模型仿真与掌握和故障打算机之间通过DSOCK 库、TCp/IP协议网络链接，掌握和故障诊断与监控打算机通过串口线通信连接。
全体平台的总体构造和功能，如图6所示。
图6 仿真平台总体构造和功能
（二）容错掌握可视化仿真平台
数据剖析方法的缺陷是它无法直不雅观有效地描述繁芜数据间内在关系，以是考虑采取视觉技能或者可视化这方面技能。它的优点便是方便不雅观察到掌握效果，从而现实合理评价掌握算法的有效性。我们选用Multigen Creator/Vega作为虚拟现实开拓平台，通过Matlab仿真数据来驱动三维的模型运动。
可视化仿真结果显示，在没有故障情形下可以跟踪到期望指令。有故障如果还采取标准掌握，则有很大偏离的旗子暗记；如果有故障，但是采取我们设计的容错掌握器，很快就可以回到跟踪期望指令，非常直不雅观。
（三）高超声速翱翔器半物理仿真平台
半物理实验平台运行过程是，仿真系统利用两个目标机，个中翱翔掌握器作为“实时仿真系统 -掌握器”载入到一台目标机，实行机构-飞机模型-传感器作为“实时仿真系统-工具模型”载入到另一台目标机，其事理是，上位机通过以太网掌握目标机，目标机之间通过以太网进行信息交互。
仿真平台测试结果验证了我们提出的故障诊断等方法的有效性。
四、展望
上面先容的方法基于两类，一类是被动的；另一类是主动的。被动掌握的优点便是在线打算量比较低，随意马虎实现；它的缺陷便是不能容错未知的故障。主动容错掌握的优点便是可以容错未知的故障，但是打算量比较大。以是将被动容错掌握和主动容错掌握相结合，设计出高超声速翱翔器的集成容错掌握方案。这方面可以做一些事情，值得我们连续研究。
第二个方向便是考虑高超声速翱翔器的多翱翔模态特点，包含4个翱翔模态——亚音速、跨音速、超音速和高超音速，以是采取多模态、多模型来描述高超声速翱翔器，更能刻画其特点，研究它的故障检测问题。
第三个方向是针对高超声速翱翔器构造不愿定等特点，研究其自愈掌握技能，这是国家自然科学基金重点项目的紧张研究内容。
第四个方向便是基于机理模型与数据驱动相结合的高超声速翱翔器故障诊断方法。现在研究基于数据驱动的掌握方法和技能很热，国家自然科学基金委员会就列了多少个重点项目。但是我认为，高超声速翱翔器的机理相比拟较清楚，如飞机模型、高超声速翱翔器模型都有教科书或专著的描述；然而由于经由多个模态、大包络翱翔，很多参数可能不知道，要通过数据驱动方法来辨识估计这些参数。以是对高超声速翱翔器来说，要以机理模型为主，以数据驱动为辅，结合起来，这也是一个很有出息的研究方向。
末了一个方向便是对付我们的技能，不管是故障诊断，还是自愈合掌握方法，我们用数字仿真、可视化仿真和半物理仿真这三种仿真验证，不是真正的高超翱翔实验。高超翱翔实验本钱非常高，高校进行这种实验是不可能的，必须与高超翱翔器干系的一些研究所密切互助，把我们的方法、技能通过软件集成嵌入到高超翱翔器掌握系统，通过翱翔试验考验所提出的方法有效性，以及还有什么问题要改进，真正把我们的方法和技能推广运用。
（本报告根据速记整理）
CAAI原创 丨 作者姜斌教授
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