Adaptive Fault Tolerant Control Design for Nonlinear Aircraft System with Actuator Faults

Abstract

In this thesis, L1 adaptive controller is designed for nonlinear systems with input redundancy and input gain uncertainty. The proposed adaptive control scheme is applied to the fault tolerant control of a fixed-wing aircraft under actuator failure. In the first part of the thesis, L1 adaptive control theory with nonlinear reference system for a class of nonlinear systems with multiple inputs and matched uncertainty is introduced. Uniform performance bounds for the transient and steady-state response are provided on the difference between the states and inputs of the real system and the reference system. It is shown that the difference can be arbitrarily decreased by increasing the adaptation gain and the bandwidth of the low-pass filter. The existing theory is extended to cover systems with input redundancy and input gain uncertainty. The proposed method can offer predictable and verifiable control allocation by examining the reference system. In the second part of the thesis, the proposed L1 adaptive control applied to the fault tolerant control of a fixed-wing aircraft under actuator failure. To demonstrate the performance of the controller, numerical simulation is conducted using a high-performance aircraft model considering various actuator fault and failure scenarios.

본 논문에서는 구동기 여유가 있는 불확실성을 가진 비선형 시스템에 적용 가능한 비선형 레퍼런스 시스템을 가지는 L1 적응제어 이론을 제안하고, 구동기 고장이 발생한 고정익의 고장허용제어에 적용하였다. 불확실성을 가지는 다중입력 비선형 시스템에 대하여 적용 가능한 비선형 레퍼런스 시스템을 가지는 L1 적응제어 이론을 제안하였다. 실제 시스템과 레퍼런스 시스템, 레퍼런스 시스템과 디자인 시스템의 상태변수와 입력의 차이에 대해 과도응답과 정상상태에 대해 균등한 성능 한계치를 제시하였으며, 적응제어이득과 저역필터의 대역폭을 증가시킴으로서 실제 시스템과 레퍼런스 시스템 사이의 차이를 줄일 수 있음을 보였다. 또한, 구동기 여유가 있고, 시스템 입력에 불확실성이 있는 시스템에 대하여 이론을 확장하였다. 제안한 방법에서는 각 입력에 대한 조종력 할당이 레퍼런스 시스템을 이용하여 예측가능함을 보였다. 제안한 L1 적응제어 이론을 구동기 고장이 발생한 고정익항공기의 고장허용제어에 적용하였다. 제어기의 성능을 확인하기 위하여 고성능 항공기 모델을 이용하여 다양한 고장 시나리오에 대해 수치 시뮬레이션을 수행하였다.