四旋翼直升机具有复杂的气动特性和特殊的飞行状态,飞行过程中对系统安全性、可靠性要求较高。四旋翼直升机在飞行过程中易受到外界扰动,发生执行器、传感器类型故障,因此需要更精确的数学模型和更稳健的故障诊断方法来保证飞行品质和飞行安全。本文以四旋翼直升机的姿态控制系统为研究对象,分析系统可能出现的故障类型,考虑飞行过程中不确定性发生的通道,以及探究四旋翼直升机的微小故障,设计了四旋翼直升机线性与非线性故障模型的诊断算法,使四旋翼直升机在发生故障后能及时进行故障的估计且有效跟踪,并在QstudioRP半物理仿真平台上仿真验证了算法的可行性。首先,介绍了故障的概念、分类和故障诊断技术的研究现状和发展趋势,阐述了问题研究的意义,然后进行基于物理效应分析的四旋翼直升机动力学建模及分析,得到了四旋翼直升机姿态系统的状态方程,并介绍了半物理仿真平台——QstudioRP平台的硬件和软件系统,该平台为四旋翼直升机飞控系统的故障诊断研究提供了仿真实物模型。其次,在四旋翼直升机建模策略的基础上,本文提出了三种四旋翼直升机飞控系统的故障诊断方法。其一,考虑四旋翼直升机飞行过程中建模不确定性既发生在输入通道又发生在输出通道,提出了基于滑模观测器的故障诊断算法;其二,针对带有微小故障和外界扰动的四旋翼直升机线性系统故障模型,提出了基于系统解耦和综合自适应滑模观测器的微小故障诊断算法,确立了在扰动情况下微小故障处理的解耦思路,创新了滑模观测器与自适应观测器相结合的算法;其三,针对带有微小故障和外界扰动的四旋翼直升机非线性系统故障模型,提出了一类新型综合自适应滑模观测器的微小故障诊断算法,有效地处理了非线性项,在系统解耦条件下,确保新型自适应滑模观测器的鲁棒稳定性。最后,将本文所提出的三种四旋翼直升机飞控系统的故障诊断方法应用于QstudioRP仿真平台。实验结果表明,三种故障诊断方法都可以有效估计四旋翼直升机的常规故障和微小故障,仿真结果验证了三种算法的可行性和有效性。