● 摘要
与传统控制系统相比，网络控制系统(Networked Control systems, NCS)具有连线少、体积小、成本低、安装维护方便及灵活性强等优点，较好地适应了现代飞行器高可靠性、智能性和自主性的要求，代表了飞行器底层控制系统的发展趋势。但是由于飞行器网络引入的时延及丢包等特殊问题，会降低飞行器故障检测系统的性能。另外，由于网络带宽有限，在设计飞行器故障检测系统时，需要考虑网络的调度策略，以利用有限的网络资源优化飞行器故障检测系统的整体性能。因而需要从理论上对飞行器NCS的故障检测与调度协同设计进行深入的研究和探讨。本文对网络环境下飞行器控制系统的故障检测与调度协同设计问题进行了深入的研究，结合飞行包线内飞行器控制系统的特点，针对不同的网络诱导时延、数据丢包特性及调度策略，分别提出了网络化飞行器的故障检测系统设计方法及故障检测与调度协同设计方法。本文的主要工作如下：1．结合飞行器控制系统底层网络协议的特点，研究了飞行器NCS的建模问题。针对马尔可夫时延、未知时延、马尔可夫丢包约束及伯努利丢包约束的情况分别建立了飞行器NCS模型。基于故障的发生部位，建立了NCS故障的数学模型，并得出了发生执行器和传感器故障的统一故障模型。最后，基于切换系统理论，建立了全包线范围内飞行器的切换系统模型。2．针对存在马尔可夫时延和丢包的飞行器NCS，提出一种基于马尔可夫跳变系统的鲁棒故障检测与优化算法。将马尔可夫短时延与丢包建模为一个马尔可夫链，基于观测器构建残差产生系统，在状态转移概率矩阵完全已知或部分已知的情况下，分别以LMI的形式给出了鲁棒故障检测滤波器存在的充分条件及求解方法；为进一步提高故障检测系统的性能，对故障检测系统进行优化，以矩阵Moore-Penrose逆的形式给出优化问题的最优解，并设计了一种自适应阈值计算方法，同时采用一种在线迭代算法以降低故障检测算法计算的复杂度。3．针对存在未知有界时延和丢包的飞行器NCS，提出了一种基于模型不确定性的鲁棒故障检测与优化算法。利用矩阵理论，将存在未知时延的飞行器NCS建模为模型不确定系统，在此基础上设计故障检测滤波器，以LMI的形式给出了故障检测滤波器存在的充分条件及求解方法，并对故障检测系统进行优化，以矩阵Moore-Penrose逆的形式给出优化问题的最优解；进一步采用伯努利过程描述丢包现象，将同时具有未知时延和丢包的飞行器NCS建模为随机不确定系统，基于此模型构建残差产生系统，以LMI的形式给出了残差产生系统随机稳定的充分条件，为进一步提高故障检测系统的性能，对故障检测系统进行优化，并设计了一种易于实现的自适应阈值计算方法。仿真结果表明上述方法计算量小，易于工程设计，且能够检测到更小的故障。4．针对全包线范围内的网络化飞行器，提出一种基于异步切换多胞系统的鲁棒故障检测算法。采用伯努利过程描述丢包现象，将存在时延和丢包的网络化飞行器建模为切换多胞系统，在考虑切换信号存在时滞导致故障检测滤波器的切换时刻滞后于模型切换时刻的情况下，基于多李亚普诺夫函数和平均驻留时间法，给出了具有切换多胞形式的故障检测系统全局一致渐近稳定的充分条件，并以LMI的形式给出了该故障检测滤波器的存在条件及求解方法。仿真结果说明了所提方法的有效性。5．针对存在数据包丢失的飞行器NCS，提出一种基于变采样周期的实时反馈调度策略，并设计一种与该调度策略相匹配的时变故障检测算法，实现网络化飞行器故障检测与调度的协同设计。考虑网络监测器获得的控制回路数据丢包率、控制性能指标和故障检测性能指标，在网络资源有限的情况下寻求最优的带宽分配方案，实现NCS采样周期的实时反馈调度；在该最优反馈调度策略的基础上，综合考虑网络时延、丢包及变采样周期等因素，建立网络化飞行器的线性时变模型，将针对该时变系统的故障检测滤波器优化设计问题描述为H∞/H∞或H-/H∞性能指标的最大化问题，通过求解离散时间Riccati方程获得该最大化问题的最优解。