考虑强时变和不确定因素的近空间飞行器自主故障诊断与容错控制

To improve the flight safety of near space vehicle and avoid major accidents, the capabilities of autonomous fault diagnosis and fault-tolerant control is necessary to near space vehicles. In the operation of near space vehicles, the strong time-varying dynamic characteristics and model parameter uncertainties bring huge challenges to fault diagnosis and fault-tolerant control. Aiming to improve the fault diagnosis and fault handling capability of near spacecraft, this project will intensively study autonomous fault diagnosis and fault-tolerant control methods for the near space vehicle. To handle the strong time-varying dynamics of near space vehicle, descriptor system is used to study suitable model description of near space vehicle for fault diagnosis. On basis of descriptor system representation, zonotope-based interval estimation method is used to design fault detector that is able to generate threshold automatically. Considering the effect of parameter uncertainty, polynomial chaos expansion technique and Bayesian estimation methodology are integrated to investigate fault estimation method for near space vehicle so as to improve the accuracy of fault estimation. In this project, fault hiding methodology is used to study fault-tolerant control method, and, a fault-tolerant control system with on-line performance adjustment mechanism is designed to deal with the problem that the system control ability is weakened after fault occurrence.

为了提高近空间飞行器的飞行安全性，避免重大事故，近空间飞行器需要具备一定的自主故障诊断与容错控制能力。近空间飞行器运行过程中存在的强时变特性和模型不确定性等因素为故障诊断与容错控制带来了很大的挑战。本项目致力于提高近空间飞行器对于故障的诊断和处理能力，对于近空间飞行器的自主故障诊断与容错方法展开深入研究。针对近空间飞行器的强时变高阶动态，通过构造广义系统研究适用于故障诊断的近空间飞行器模型描述；在此基础上，基于全对称多胞形的区间估计方法设计能够自动生成阈值的故障检测器；针对参数不确定性的影响，利用多项式混沌展开技术和贝叶斯估计思想研究故近空间飞行器的故障估计方法，以提高故障估计准确性；考虑到发生故障后系统控制能力减弱的问题，研究基于故障屏蔽思想的容错控制方法，并设计具有性能在线调整机制的容错控制系统。

本项目以近空间飞行器为研究背景，以飞行器控制系统的故障诊断与容错控制为主要研究内容，在不确定性的合理描述、残差生成器设计、自主残差评价等方面展开了研究，取得了以下的研究成果：.研究了利用集合描述不确定性的方法，并研究了面向近空间飞行器的线性变参数广义系统建模方法，为后续的故障诊断与容错控制研究提供了模型基础。.基于有限频域设计方法，针对线性广义系统、线性变参数广义系统、李普希兹非线性系统等对象提出了一系列多目标故障检测观测器设计方法，并且给出了参数不确定系统故障检测观测器设计的解决方案，有效提高了故障检测性能。.为了解决不确定系统故障诊断中的残差评价问题，提出了多种新型集员估计方法，并在此基础上提出了基于集员估计的故障诊断方法，针对不确定性系统的自适应阈值计算、故障区间估计、故障预测等关键技术问题给出了一套系统的解决方案，可以作为近空间飞行器的自主故障诊断的重要理论支撑。.针对飞行器姿态确定系统，提出了多种具有实用性的故障诊断与容错方法，并且构建了飞行器姿态控制系统的半实物仿真平台，对所提出的故障诊断方法进行了技术验证。