题目：网络化飞行器控制系统故障检测与容错控制

网络化飞行器是指利用飞行器数据总线代替传统点对点传输方式的新一代飞行器，它将传感器、执行机构、故障检测器和控制器等挂接在总线网络上，形成了应用在飞行控制领域的网络控制系统(Networked control system, NCS)。由于NCS具有布线简单、结构灵活、可扩展性和维护性好等优点，因而网络化飞行器具有良好的数据共享能力、智能性和自主性。然而，共享飞行器总线网络不可避免地引入了时延及丢包等非理想传输问题，会降低飞行器控制系统的故障检测与容错控制性能。此外，飞行器常需要考虑参数时变影响和满足多任务需求，飞行控制系统自身的复杂性使得网络引入给系统设计带来的挑战更加严峻。因而，需要兼顾飞行器控制系统自身特点及总线网络引入的非理想传输问题，从理论层面上研究网络化飞行器控制系统的故障检测与容错控制问题。

本文对网络化飞行器控制系统的故障检测与容错控制问题进行研究，结合大包线飞行器控制系统自身特点，针对不同的网络诱导时延、数据丢包特性及设计需求，分别提出了网络化飞行器控制系统的故障检测方法以及故障检测与容错控制一体化协同设计方法。本文主要工作如下：

1．结合飞行器总线网络协议特点，对网络化飞行器进行分析与建模。分别基于Taylor近似、矩阵谱范数及时变时滞三种方法给出了网络诱导时延模型，并基于Markov链约束和Bernoulli分布约束两种方法分析了数据包丢失模型。针对执行器、传感器及系统组件常见故障模式进行建模，并经过变形给出了统一的故障模型。最后，建立了适合工程应用的大包线飞行器控制系统模型，并给出了飞行器网络结构的具体实现。

2．针对存在未知有界短时延及丢包的网络化飞行器，研究了其固定飞行状态下的故障检测与性能优化问题。其中，对存在未知有界短时延及Markov丢包的网络情况，结合矩阵谱范数和Markov链约束方法建立了不确定Markov系统模型，采用鲁棒滤波方法设计模态依赖残差产生系统，并利用后置滤波器对残差进行优化，且给出了时变系数阵迭代方法以降低在线计算量。同时，对存在未知有界短时延及Bernoulli丢包的网络情况，结合Taylor近似和Bernoulli分布约束方法建立了随机系统模型，将故障检测问题分解为最优参考残差模型设计及输出跟踪两部分，利用多目标优化方法使最优参考残差模型对故障敏感且对未知扰动鲁棒，并利用鲁棒模型跟踪方法使系统残差跟踪最优参考残差模型输出以完成滤波器设计与优化。

3．针对大包线飞行状态下的网络化飞行器，提出了一种基于局部交叠异步切换框架的鲁棒故障检测方法。为降低系统设计的保守性，考虑飞行切换律的局部交叠特性，并结合Taylor近似和Bernoulli分布约束方法，将存在未知有界短时延和丢包的网络化飞行器建模为局部交叠切换系统。在此基础上，利用鲁棒滤波方法设计了切换模态依赖的故障检测滤波器，同时考虑网络诱导时延及丢包引起的异步切换问题带来的影响，进一步将系统增广为局部交叠异步切换系统。基于此增广系统模型，结合公共Lyapunov函数和平均驻留时间方法对系统的全局稳定性与加权l2性能进行分析，并使用线性矩阵不等式(LMI)凸优化方法给出了检测滤波器的存在条件及求解方法。

4．针对飞行包线不断扩大且飞行性能要求不断提升的大包线网络化飞行器故障检测问题，为提高建模准确性并降低设计保守性，提出了一种基于局部交叠异步切换多胞系统模型的鲁棒故障检测方法。首先，对传统的“增益调度”方法进行改进，基于切换多胞系统描述大包线飞行动态，并提出了一种局部交叠多胞划分方式以降低设计保守性。在此基础上，利用鲁棒滤波方法设计了切换参数依赖的故障检测滤波器，并考虑切换指令和多胞加权参数存在更新滞后导致的异步切换问题，进而将系统增广为局部交叠异步切换多胞系统。结合切换参数依赖Lyapunov函数和平均驻留时间方法对系统的全局稳定性和加权l2性能进行分析，并使用LMI凸优化方法给出了检测滤波器设计方法。

5．针对大包线飞行状态下的网络化飞行器，为提高系统总体性能并简化设计过程，提出了一种基于异步切换时滞系统的故障检测与鲁棒容错控制一体化协同设计方法。首先，考虑网络引入对系统的影响，采用切换时滞系统来描述大包线飞行动态，并基于残差估计方法构建了模态依赖的鲁棒故障检测器。在此基础上，利用残差估计过程中获得的系统状态估计值，构建了状态估计反馈跟踪容错控制器。同时，为克服网络诱导时延及丢包导致的异步切换问题带来的影响，将系统进一步增广为异步切换时滞系统。最后，结合切换时滞依赖Lyapunov-Krasovskii泛函和平均驻留时间方法分析了系统的全局稳定性和加权l2性能，并给出一体化容错控制器及故障检测器的具体求解方法。