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第1章 引言1

1.1 无人机容错控制的必要性1

1.2 本书结构2

第2章 回顾（基本概念）3

2.1 容错系统定义3

2.1.1 故障3

2.1.2 失效5

2.1.3 容错控制系统5

2.1.4 应用中故障和失效的应对6

2.2 重构控制系统设计面临的挑战6

2.2.1 可靠的FDI系统设计困难6

2.2.2 飞行控制器与FDI系统之间的相互作用7

2.2.3 其它应用挑战7

2.3 FDI系统的不同实现手段7

2.3.1 FDI系统滤波器设计发展趋势8

2.3.2 主动故障检测发展趋势9

2.4 飞行控制系统的不同实现方法10

2.5 容错飞行控制系统设计技术10

2.5.1 多模型技术11

2.5.2 控制分配技术12

2.5.3 模型参考自适应控制13

2.5.4 其它重构控制方法14

2.6 可重构导航系统15

2.7 实际飞行验证15

参考文献16

第3章 飞机非线性模型29

3.1 坐标系的定义29

3.1.1 导航坐标系（参考坐标系）29

3.1.2 机体坐标系29

3.1.3 欧拉角29

3.1.4 方向余弦矩阵31

3.1.5 四元数表示32

3.1.6 气流坐标系32

3.2 风扰动34

3.3 低空大气模型35

3.4 刚体运动方程35

3.4.1 作用力方程35

3.4.2 力矩方程38

3.5 发动机38

3.5.1 发动机转速38

3.5.2 推力39

3.6 空气动力模型39

3.6.1 升力39

3.6.2 侧向力39

3.6.3 阻力39

3.7 气动力矩模型40

3.7.1 滚转力矩Lb40

3.7.2 俯仰力矩Mb41

3.7.3 偏航力矩Nb41

3.8 飞机非线性模型总结41

参考文献42

第4章 非线性故障检测与隔离系统43

4.1 引言43

4.2 采用MMAE方法的FDI44

4.2.1 MMAE方法的优点44

4.2.2 MMAE方法的局限性45

4.2.3 MMAE方法的新扩展——EMMAE方法45

4.3 基于EMMAE方法的一种新FDI策略46

4.3.1 作动器故障建模46

4.3.2 EMMAE方法46

4.4 飞机作动器结构和非线性动力学特性49

4.4.1 飞机结构49

4.4.2 飞机非线性动力学特性50

4.5 扩展卡尔曼滤波器设计51

4.5.1 扩展卡尔曼滤波器方程51

4.5.2 无故障情形扩展卡尔曼滤波器设计55

4.5.3 利用故障作动器参数？i增广状态向量56

4.5.4 副翼1故障下的扩展卡尔曼滤波器设计57

4.6 作动器故障隔离59

4.6.1 假设检验59

4.6.2 高斯条件概率密度61

4.7 无监督系统的EMMAE-FDI仿真结果63

4.7.1 仿真条件63

4.7.2 故障情形64

4.7.3 仿真结果分析65

4.7.4 首次应用EMMAE-FDI系统说明66

4.8 EMMAE-FDI系统改进67

4.8.1 主动监督模块（监督器）设计67

4.8.2 带有监督系统的EMMAE-FDI性能69

4.9 一个真实的飞行过程71

4.9.1 无风、作动器无故障情况72

4.9.2 有风、作动器无故障情况75

4.9.3 强风、作动器故障并有主动监督模块情况77

4.10 EMMAE-FDI系统增加额外滤波环节77

4.11 同时多故障的检测与隔离80

4.12 利用EMMAE-FDI的可重构飞行控制系统82

4.12.1 控制分配82

4.12.2 有监督模块控制分配器的优点82

4.13 EMMAE-FDI的计算复杂性83

4.14 结论83

参考文献84

第5章 控制分配87

5.1 控制分配简介87

5.2 可重构飞行控制系统88

5.3 副翼和升降舵行为模式92

5.3.1 理想模式：模式092

5.3.2 单作动器故障模式：模式1到模式495

5.4 多故障97

5.4.1 同时两个故障：模式597

5.4.2 同时故障多于两个：模式6和模式797

5.5 方法扩展97

5.6 计算量分析97

5.7 仿真结果98

5.7.1 控制分配器对控制器的影响100

5.7.2 控制分配计算量比较101

5.8 结论102

参考文献103

第6章 非线性控制设计104

6.1 动态逆的概念104

6.1.1 动态逆控制器推导104

6.1.2 一般情形105

6.1.3 可产生期望动态输出扎？des（t）的信号表达式105

6.2 理想的或完美的动态逆106

6.3 期望动态特性的控制器结构107

6.3.1 PI控制器的选择107

6.3.2 控制信号yc的前反馈109

6.3.3 开环增益110

6.3.4 控制前反馈增益fc的设计规则111

6.3.5 控制信号？c的前向反馈113

6.3.6 参考模型和显式模型跟踪113

6.3.7 积分器防饱和114

参考文献115

第7章 纵向运动的自动驾驶117

7.1 纵向运动模式分析方程117

7.1.1 俯仰速率微分方程118

7.1.2 空速微分方程118

7.1.3 攻角微分方程119

7.1.4 俯仰角微分方程119

7.1.5 纵向模式矩阵119

7.2 飞机系统纵向动态模式120

7.2.1 短周期模式120

7.2.2 长周期模式120

7.3 线性纵向模型验证121

7.3.1 升降舵控制命令扰动121

7.3.2 发动机转速nmot的扰动121

7.4 不确定动态逆的稳定性分析124

7.4.1 不确定模型参数和测量数据125

7.4.2 不确定动态逆的线性建模125

7.4.3 纵向运动的模型简化126

7.4.4 俯仰轴线性模型和动态逆过程127

7.4.5 矩阵ADI中不确定项的估计131

7.4.6 不确定性对动态逆的影响133

7.4.7 不确定模型参数的数学选择134

7.5 纵向运动通用控制结构139

7.5.1 非线性变换T3140

7.5.2 非线性变换T2140

7.5.3 非线性变换T1140

7.6 俯仰角速率控制140

7.6.1 稳定性／鲁棒性要求141

7.6.2 俯仰角速率闭环传递函数145

7.7 攻角控制回路147

7.7.1 开环和闭环增益148

7.7.2 结果说明148

7.8 爬升率控制器153

7.8.1 开环增益155

7.8.2 闭环增益156

7.9 高度控制器157

7.9.1 开环增益158

7.9.2 闭环增益159

7.9.3 高度控制器性能160

7.10 空速控制器161

7.10.1 本节内容161

7.10.2 目的161

7.10.3 发动机转速163

7.10.4 推力163

7.10.5 非线性变换163

7.10.6 空速期望动态特性控制器165

7.10.7 仿真结果165

参考文献166

第8章 侧向运动的自动驾驶169

8.1 侧向运动方程分析169

8.1.1 滚转角速率ρ的微分方程170

8.1.2 偏航角速率γ的微分方程170

8.1.3 侧滑角β的微分方程171

8.1.4 滚转角φ的微分方程171

8.1.5 侧向模型矩阵171

8.2 侧向运动的动态模式172

8.2.1 “荷兰”滚转模式173

8.2.2 滚转沉降模式173

8.2.3 螺旋模式173

8.3 线性侧向模型验证173

8.3.1 副翼控制扰动173

8.3.2 方向舵控制扰动174

8.3.3 不同工作点的线性化175

8.4 不确定动态逆的稳定性分析176

8.4.1 模型参数和测量数据的不确定性176

8.4.2 不确定动态逆建模177

8.4.3 侧向运动的线性表示178

8.4.4 侧向模型中矩阵ADI、BDI和CDI的定义178

8.4.5 从？des到Pmeas通道的稳定性180

8.4.6 从？des到rmeas通道的稳定性183

8.5 滚转和偏航角速率控制器184

8.5.1 控制器结构186

8.5.2 滚转和偏航角速率控制器开环分析186

8.5.3 频域稳定性和鲁棒性能界187

8.6 协同转弯控制器189

8.6.1 侧滑角控制器189

8.6.2 倾斜角期望的动态特性189

8.6.3 侧滑角期望的动态特性190

8.6.4 仿真结果190

参考文献192

第9章 可重构导航系统193

9.1 引言193

9.2 侧向导航系统194

9.2.1 航路跟踪侧向导航控制律194

9.2.2 侧向导航控制律的特点196

9.2.3 方法的不足点196

9.2.4 L1的选择196

9.2.5 航路规划的目的197

9.3 固定航路点跟踪197

9.3.1 参考点P的计算197

9.3.2 线段切换逻辑198

9.3.3 滚转角控制信号φcom的计算200

9.4 高度导航率201

9.5 禁飞区和飞行障碍202

9.5.1 NFZ定义202

9.5.2 选择一个合适的前视探测距离RLA203

9.6 NFZ的探测204

9.7 NFZ规避算法208

9.7.1 在线选择一个规避航路模板208

9.7.2 进入圆形模板航路209

9.7.3 选择规避侧边209

9.7.4 模板航路产生209

9.7.5 离开圆形航路模板212

9.7.6 导航算法的性能212

9.8 仿真214

9.8.1 仿真条件214

9.8.2 仿真结果214

9.9 结论216

参考文献217

第10章 无人机性能下降评估219

10.1 引言219

10.2 FDI系统220

10.2.1 带有控制舵面偏转量传感器的FDI220

10.2.2 没有检测控制舵面偏转量传感器的FDI220

10.3 转弯性能下降评估220

10.3.1 左／右转弯时最大倾斜角的确定221

10.3.2 右／左转弯时最小转弯半径的确定223

10.3.3 最大滚转角速率的确定223

10.3.4 达到最大滚转角φmax所需最大时间Troll的确定224

10.4 导航系统的接口224

10.5 稳定性分析225

10.6 仿真结果225

10.6.1 无故障情形225

10.6.2 有故障但没有重构225

10.6.3 有故障但可重构227

10.7 俯仰和偏航性能的下降227

10.7.1 俯仰轴227

10.7.2 偏航轴228

10.8 结论228

参考文献229

第11章 结论和展望230

11.1 未来工作230

11.1.1 FDI系统230

11.1.2 可重构导航系统230

11.2 无人机容错控制系统的未来231

11.3 一般结论231

附录A 有关VT，α，β的微分方程233

附录B 离散化线性状态空间模型236

B.1 连续模型236

B.2 离散模型237

B.2.1 离散噪声过程协方差矩阵Qk的推导239

B.2.2 卡尔曼滤波器转移矩阵239

附录C 纵向控制器应用的非线性变换240

C.1 高度二次微分？和飞机法线加速度αn之间的非线性变换T1240

C.2 攻角α和飞机法线加速度an之间的非线性变换T2241

C.3 攻角变化率？和俯仰角速率q之间的非线性变换T3242

附录D 应用于侧向控制器的非线性变换244

D.1 侧滑角的动态特性244

D.2 滚转角控制信号和协同转弯控制方程245

D.3 余弦定律246

附录E 30m/s速度下线性化的飞机模型247

E.1 纵向线性模型247

E.2 侧向线性模型248

附录F 字母含义249