基于多模型混杂控制系统理论的无人机故障容错控制研究

Fault tolerant control is the key technique to ensure unmanned aerial vehicle (UAV) running safely and reliably for long term and it has been one of the most attractive directions in the UAV research. Although the studies on fault tolerant control theory of traditional linear systems have been well developed, such as eigenstructure assignment approach, model reference adaptive control approach, interactive multiple model approach, etc, the existing fault tolerant control theories on linear systems are difficult to apply to actual UAV systems, due to high nonlinearity, parameter uncertainty and time-varying characteristics of UAV systems. Based on the existing research work and some unsettled problems of UAV fault tolerant control, this project researches issues as, fault description and modeling methods based on parameter switching and regional segmentation technology, UAV multi-model hybrid control system modeling and fault modeling, fault model sets construction, design with synthesization of fault diagnosis section and fault tolerance section , and fault tolerance controllers design, aiming to promote the comprehensive performance of systems. The project aims at constructing a theoretical system for UAV fault tolerant control based on multi-model hybrid control systems, and its corresponding simulation platform.

故障容错控制是保证无人机长时间安全可靠运行的关键，现已成为无人机技术研究的热点之一。尽管传统线性系统的容错控制理论的研究已趋于成熟，如特征空间配置法、模型参考自适应法、多模型交互法等，但由于无人机系统存在高度非线性、参数不确定性以及时变性，因此现有的线性系统的容错控制理论难以应用到实际无人机系统中。本课题将基于无人机容错控制的已有成果和一些尚未解决的问题，研究基于参数切换区域分割技术的故障描述和建模方法，建立无人机的多模型混杂控制系统模型和故障模型，构建故障模型集合，并研究能够综合设计故障诊断环节和故障容错环节的方法，优化设计无人机故障容错控制器，提高系统的综合性能。研究成果拟形成基于多模型混杂控制系统的无人机故障容错控制理论体系及建立相应的仿真实验平台。

故障容错控制是保证无人机长时间安全可靠运行的关键，是无人机领域的研究热点之一。尽管传统线性系统的容错控制理论的研究已趋于成熟，如特征空间配置法、模型参考自适应法、多模型交互法等。但由于无人机系统存在高度非线性、参数不确定性以及时变性，因此现有的线性系统的容错控制理论难以直接应用到实际无人机系统中。在项目执行期间，项目负责人及课题组成员在前期工作基础上，对国内外在无人机故障容错控制问题的相关研究进行了充分调研，开展了基于多模型混杂控制系统理论的、基于模糊控制系统理论的故障建模与容错控制等研究，完成了项目计划的研究内容。研究工作解决了故障的分类、建模与容错控制问题，分析了可能出现的各种故障类型，包括传感器故障、执行器故障，提出了基于模糊模型理论的故障建模方法，建立了故障模型的统一表示形式，开展了故障诊断多模型切换机制的研究，提出了模糊自适应容错控制技术，在出现故障的情况下仍能保证系统的稳定性，针对系统的时延问题，提出了前件不匹配情况下系统的建模、控制及滤波方法，优化了故障容错控制器，提高了系统的设计灵活性，并将理论研究成果在搭建的仿真平台上进行了仿真验证。研究成果完善了无人飞行器故障诊断与容错控制系统理论，为工程技术人员提供了分析与设计故障诊断与容错控制系统较为实用的解决方法。