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四旋翼直升机多故障系统故障诊断与容错技术研究

殷芝霞  
【摘要】:四旋翼直升机是一种结构简单、可垂直起降的、多旋翼式飞行器,在军用和民用领域具有重要的应用价值。由于其姿态控制系统具有过驱动、强耦合等复杂特性,且数据传输和故障关联较多,故障诊断定位困难,准确性和效率难以保证,尤其是在多个故障同时发生的情况下,故障的交叉传播给故障诊断带来了很大难度,所以,多旋翼直升机多故障系统的故障诊断与容错控制研究一直是热点问题。本文针对四旋翼直升机姿态控制系统,以多执行器故障问题为切入点,开展了多故障诊断与主动容错技术的研究。论文研究成果为提高直升机系统的安全性与可靠性提供了有益的思路。论文的主要工作与创新点如下: 首先,综述了故障诊断、容错控制以及四旋翼直升机的发展现状,分析了四旋翼直升机的结构组成及控制特点,给出了其姿态控制系统的动力学模型,进而详细研究了系统的典型故障类型与故障模式,建立了四旋翼直升机执行器故障条件下的故障模型。 然后,针对四旋翼直升机姿态控制系统,考虑多个执行器故障的交叉耦合特性,在传统基于模型的故障诊断基础上,构建了分通道控制模式,分别设计了基于联合观测器的多故障诊断算法以及基于有限频的多故障诊断算法,有效避免了系统耦合对故障诊断的影响,实现了多执行器故障的准确检测与估计。 进一步,考虑系统的容错性能,提出了一种基于GKYP引理的主动容错控制算法,利用GKYP引理使不同频段的故障和干扰满足各自所需的性能要求,从而使得系统在故障发生后,仍然能够维持稳定性并具有较好的飞行性能。 最后,将上述所提方法分别应用于三自由度四旋翼直升机半物理仿真平台,实际验证了所提方法的可行性与有效性。


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