基于混合建模的四旋翼飞行器故障诊断及容错控制研究

发布时间：2017-09-16 18:46

  本文关键词：基于混合建模的四旋翼飞行器故障诊断及容错控制研究

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【摘要】：四旋翼飞行器是一种典型的现代复杂系统,相比于固定翼飞机,它具有更复杂的气动特性和更特殊的飞行状态,因此需要更高精度的数学模型和更稳健的故障诊断以及容错控制方法来保证飞行品质和飞行安全。混合建模策略是获得准确、可靠模型的有效手段之一。在传统混合建模过程中,先验模型和非参数模型的内涵往往难以界定;分析非参数模型时,也缺乏线性化方法的选择标准。针对上述问题,本文分析了四旋翼飞行器中的各类物理效应,给出了模型非线性项非线性程度的度量方法,提出一种基于物理效应分析和非线性度量的混合建模策略。实验结果表明,该混合建模策略在可靠性、准确性以及控制器能耗等方面具有良好的优越性。在混合建模策略的基础上,本文提出一种基于主元分析的双重粒度故障诊断方法。其中,先验模型用于粗粒度级别的故障诊断,确定故障发生的通道(俯仰、滚转、偏航);非参数模型用于细粒度级别的故障诊断,在故障通道中进一步确定发生故障的具体元部件。实验结果表明,该故障诊断方法可以有效检测并诊断四旋翼飞行器的结构性故障。基于四旋翼飞行器的混合模型及故障诊断的结果,本文设计一种动态反馈容错控制器,以保证闭环系统在结构性故障下不仅具有渐近稳定性,而且能准确跟踪系统的期望输出。仿真结果表明,该容错控制器设计方法具有良好的容错控制效果和更低的控制能耗。
【关键词】：混合建模 故障诊断 容错控制 结构性故障 四旋翼飞行器
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V267
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 注释表10-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 课题背景及意义11
• 1.2 故障诊断及容错控制研究11-16
• 1.2.1 故障的概念与分类11-13
• 1.2.2 故障检测与诊断技术的发展13-15
• 1.2.3 容错控制技术的发展15-16
• 1.3 混合建模方法概述16-19
• 1.3.1 混合模型的建模思想16
• 1.3.2 混合模型的分类方法16-19
• 1.4 四旋翼直升机概述19-22
• 1.4.1 四旋翼飞行器飞行原理19-20
• 1.4.2 四旋翼飞行器的结构组成20-21
• 1.4.3 四旋翼飞行器的故障类型21-22
• 1.5 论文主要工作22-23
• 第二章 四旋翼飞行器混合建模策略23-38
• 2.1 引言23
• 2.2 先验模型23-24
• 2.2.1 物理效应分析23-24
• 2.2.2 四旋翼飞行器先验模型24
• 2.3 非参数模型24-29
• 2.3.1 非线性度量方法25-27
• 2.3.2 线性化方法的选择27-29
• 2.3.3 四旋翼飞行器非参数模型29
• 2.4 基于物理效应分析和非线性度量的混合模型29-33
• 2.4.1 四旋翼飞行器的混合模型30-31
• 2.4.2 混合模型的可靠性讨论31-33
• 2.5 实验与仿真验证33-37
• 2.5.1 实验设置33-34
• 2.5.2 结果与讨论34-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第三章基于混合模型的双重粒度故障诊断方法38-54
• 3.1 引言38
• 3.2 双重粒度故障诊断思想38-39
• 3.3 主元分析方法39-42
• 3.3.1 数据标准化处理和主元选取39-40
• 3.3.2 主成分分析模型40
• 3.3.3 基于主元分析的故障检测方法40-41
• 3.3.4 基于传统贡献图的故障诊断方法41-42
• 3.4 基于混合模型和主元分析的四旋翼飞行器双重粒度故障诊断方法42-45
• 3.4.1 粗粒度级别故障诊断42-43
• 3.4.2 细粒度级别故障诊断43-45
• 3.5 实验与仿真验证45-53
• 3.5.1 实验设置45
• 3.5.2 结果与讨论45-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第四章 基于混合模型的四旋翼飞行器结构性故障容错控制研究54-62
• 4.1 引言54
• 4.2 问题描述54
• 4.3 动态反馈容错控制器设计方法54-56
• 4.3.1 控制目标54-55
• 4.3.2 动态反馈容错控制器稳定性证明55-56
• 4.4 实验与仿真验证56-61
• 4.4.1 实验设置56-57
• 4.4.2 结果与讨论57-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第五章 总结与展望62-64
• 5.1 研究工作总结62
• 5.2 研究工作展望62-64
• 参考文献64-69
• 致谢69-70
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与的科研项目70

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