基于暂态性能的无人机编队飞行控制系统故障诊断研究

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870318-SX164学科分类号：081101硕士学位论文基于暂态性能的无人机编队飞行控制系统故障诊断研究研究生姓名陈星星学科、专业控制理论与控制工程研究方向故障诊断指导教师张柯副教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonFaultDiagnosisofUAVFormationFlightControlSystems

2、BasedonTransientPerformanceAThesisinControlTheoryandControlEngineeringbyXingxingChenAdvisedbyA/Prof.KeZhangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得

3、南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要飞行控制系统是无人机的核心，其可靠性关系到无人机的安全，对飞行控制系统进行及时有效的故障诊断是保证无人机安全飞行的基础。因此，针对无人机飞行控制系统的故障诊断研究具有重要的研究意义和应用价值。并且，由于多无人机编队飞行是一项高精密和高投入的活动，针对无人机编队的故障诊断技术除了稳定性（通常是Ly

4、apunov意义下的）之外，更需要有快速性、准确性和良好的鲁棒性。这就对无人机编队故障诊断的暂态性能作出了要求。本文以无人机编队飞行控制系统为研究对象，考虑执行器发生故障的情况下，研究了基于暂态性能的故障诊断方法。首先，介绍课题的背景和研究意义，阐述无人机编队飞行控制系统，故障诊断技术和基于暂态性能的控制方法研究现状。并介绍了本文所采用的无人机飞行控制系统模型，和无人机编队飞行控制系统通信拓扑结构的主要类型及其所需的图论知识。其次，针对Leader-Follower型无人机编队飞行控制系统，针对带时变扰动的情况设计了有限时间有界鲁棒观测器来完成故障诊断。首先构建Le

5、ader-Follower的无人机编队飞行控制系统连接图并以有向图表示；再建立每架无人机的状态方程和输出方程，并将状态向量与故障向量增广为新的向量；建立基于有向图的全局误差方程，并基于有限时间有界鲁棒控制，构造飞行控制系统的有限时间有界鲁棒故障诊断观测器，对无人机编队飞行控制系统中任意一个无人机飞行控制系统出现的故障或多个无人机飞行控制系统同时出现故障的情况，实行有效准确且具备良好暂态性能的故障诊断。通过本章设计的有限时间有界鲁棒观测器，可以保障故障诊断过程的有界性。再次，针对带执行器故障的无人机飞行控制系统，构建Leader-Follower型无人机编队飞行控制系

6、统连接图并以无向图表示；针对每个无人机，并根据得到的Leader-Follower型无向图建立无人机编队飞行控制系统的全局动态方程；并针对每个Follower无人机建立调节时间自适应滑模观测器，观测器的残差信号由观测器和无人机编队的相对输出构成；当建立了全局误差方程后，通过构造的Lyapunov函数，证明可通过调节设定的参数来调节误差收敛时间并保证误差系统的状态可在一定时间内收敛至一个极小的范围。从有界性和快速性两个方面保障了故障诊断的暂态性能。最后，进一步优化暂态性能，同样从有界性和快速性两方面进行研究，可以预先设定系统的收敛时间。并且不同于传统的基于观测器的多智

7、能体系统故障诊断方法即在每个智能体中构造观测器的方式，只需在一架或两架无人机中设计观测器即可完成对整个无人机编队系统的故障诊断，这样可大大减少观测器构建和维护的成本。具体来说，在无人机编队中任意选取一个I基于暂态性能的无人机编队飞行控制系统故障诊断研究无人机，重构其全局动态方程，此时的系统输出由该选取无人机可用的局部动态信息构成；然后通过在选取的无人机中设计两个独立的观测器，基于有限时间理论，可以构造出一个在预设时间内收敛并在收敛过程中保持状态有界的未知输入观测器；根据该有限时间观测器得到的状态估计值和一个故障诊断算法可以在预设的有限时间内完成对邻接无人机的故障