變結(jié)構(gòu)飛行器的故障診斷與容錯控制

劉勝男 馬永強

(海軍駐沈陽地區(qū)航空軍事代表室,遼寧沈陽 110850)

變結(jié)構(gòu)飛行器的故障診斷與容錯控制

劉勝男 馬永強

(海軍駐沈陽地區(qū)航空軍事代表室,遼寧沈陽 110850)

近些年來,由于容錯控制系統(tǒng)應(yīng)用的范圍十分廣泛,無論是學(xué)術(shù)界還是生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)θ蒎e控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用如火如荼的展開。變結(jié)構(gòu)飛行器出現(xiàn)故障時,要求及時、準(zhǔn)確的判斷出故障的位置和大致范圍,因此,設(shè)計具有容錯能力的系統(tǒng)對診斷變結(jié)構(gòu)飛行器的故障、提高飛行器的安全性具有十分重要的現(xiàn)實意義。

變結(jié)構(gòu)故障診斷容錯控制一體化設(shè)計

目前，控制系統(tǒng)已經(jīng)管飯的應(yīng)用至生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域中，包括飛機、航空、冶金、汽車、軍事等多個領(lǐng)域，一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不僅會給生產(chǎn)生活帶來不便，甚至可能造成重大的生產(chǎn)安全事故，嚴(yán)重威脅人民的生命財產(chǎn)安全及社會穩(wěn)定。因此，及時診斷系統(tǒng)故障，設(shè)計出一套具有容錯功能的控制系統(tǒng)十分必要。

1 變結(jié)構(gòu)飛行棋故障診斷研究中注意的問題

針對變結(jié)構(gòu)飛行器容錯系統(tǒng)控制的研究已經(jīng)取得了一系列的研究成果，主要表現(xiàn)在對變結(jié)構(gòu)飛行器故障診斷研究的現(xiàn)狀、容錯控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、一體化設(shè)計故障的診斷方法等。然而不能忽略的是，目前的研究仍然存在一定的問題，如對主動容錯理論的相關(guān)研究不全面，研究方法和設(shè)計思路有待深入挖掘，故障參數(shù)不穩(wěn)定等。因此，在變結(jié)構(gòu)飛行器未來的故障診斷研究中必須考慮如下四個方面。

1.1 多對多可容錯控制研究

在容錯控制律重新調(diào)度的主動容錯控制中，容錯控制器集合和故障模型集合之間并不是單一的對應(yīng)，而是存在多對多的對應(yīng)關(guān)系，因此通過合理的設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)具有多對多可容錯控制映射特點的容錯控制器。為了實現(xiàn)多對多可容錯控制，在研究時需要找出容錯控制器對應(yīng)故障模型的規(guī)律，并根據(jù)此規(guī)律尋找出容錯控制器的最優(yōu)化在線策略。

1.2 故障診斷相關(guān)研究

變結(jié)飛行器的容錯控制系統(tǒng)在前期設(shè)計期間，已經(jīng)設(shè)置的各項故障的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。一旦飛行器出現(xiàn)故障，各類故障參數(shù)能否被跟蹤是現(xiàn)階段研究的重點。此外，當(dāng)故障參數(shù)和前期預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)出現(xiàn)誤差時，要求故障診斷與自適應(yīng)動態(tài)輸出反饋容錯控制實現(xiàn)一體化控制。

2 故障診斷與控制一體化設(shè)計分析

上文分析了變結(jié)構(gòu)飛行器故障診斷及容錯控制系統(tǒng)設(shè)計過程中需要重點關(guān)注的幾個問題。然而，在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，當(dāng)故障發(fā)生時，僅僅被動的容錯控制是遠遠不夠的，能否實現(xiàn)主動容錯控制，在故障尚未發(fā)生時成功預(yù)知故障，并及時排故障時今后容錯控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。理論上，通過有效的故障診斷與控制一體化設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)主動容錯控制。下文通過故障診斷與自適應(yīng)H∞狀態(tài)反饋、H∞動態(tài)輸出反饋、自適應(yīng)魯棒H∞容錯控制一體化設(shè)計三個方面著手，分析變結(jié)構(gòu)飛行器的容錯控制一體化設(shè)計。

2.1 故障診斷與自適應(yīng)H∞狀態(tài)反饋容錯控制一體化設(shè)計

現(xiàn)階段，要實現(xiàn)故障參數(shù)跟蹤十分困難，主要原因是由于在執(zhí)行器故障診斷與容錯控制一體化設(shè)計中，存在一定程度的外界干擾，另外，真實的故障參數(shù)與故障參數(shù)之間存在難以確定的誤差。因此，在故障診斷與自適應(yīng)H∞狀態(tài)反饋容錯控制一體化設(shè)計中，需要開展如下四項工作。

一是要設(shè)計出一套能夠?qū)⒐收嫌^測器中外界干擾與執(zhí)行器故障解耦的觀測器，并以此推算出含有執(zhí)行器故障輸入的方程。二是要設(shè)計出能夠自適應(yīng)故障參數(shù)并帶攝影限制的函數(shù)，結(jié)合步驟一中得出的方程，能夠基本保證誤差維持在一個可控的范圍內(nèi)，并未接下來的故障診斷提供準(zhǔn)確的參數(shù)參考。三是要根據(jù)前兩個步驟得出的方程和函數(shù)參數(shù)值，盡可能的估算出故障參數(shù)的范圍，設(shè)計自適應(yīng)H∞狀態(tài)反饋容錯控制器?，F(xiàn)行矩陣不等式為實現(xiàn)求解次優(yōu)的容錯控制器設(shè)計提供了基礎(chǔ)，通過量化數(shù)學(xué)特性，降低系統(tǒng)癱瘓的可能性，并保證對干擾和故障的魯棒性。四是將設(shè)計出的自適應(yīng) H∞狀態(tài)反饋容錯控制器應(yīng)用至變結(jié)構(gòu)飛行器中，驗證設(shè)計的控制系統(tǒng)的有效性。

2.2 故障診斷與自適應(yīng)H∞動態(tài)輸出反饋容錯控制一體化設(shè)計

研究故障診斷與自適應(yīng)H∞動態(tài)輸出反饋容錯控制的一體化設(shè)計需要考慮如下幾個問題。一是改進未知輸入觀測器的設(shè)計，在保證將故障觀測器中執(zhí)行器故障與外界干擾解耦的同時，又保證了任意執(zhí)行器在發(fā)生故障后都能被檢測到，而且所設(shè)計的未知輸入觀測器的系數(shù)矩陣能夠保證當(dāng)故障發(fā)生后，故障參數(shù)估計誤差的動態(tài)方程是可控的；二是設(shè)計帶射影限制的自適應(yīng)參數(shù)估計器跟蹤故障參數(shù)，保證了估計誤差的一致穩(wěn)定性，給出了估計誤差漸進收斂的條件；三是利用故障計參數(shù)，設(shè)計了自適應(yīng)H∞動態(tài)輸出反饋容錯控制器，保證執(zhí)行器發(fā)生故障后，系統(tǒng)進行穩(wěn)定性適應(yīng)H∞控制的性能指標(biāo)；接下來給出了一體化設(shè)計的故障診斷與自適應(yīng)H∞動態(tài)輸出反饋容錯控制的實施方案，將原來設(shè)計控制器所涉及到的非線性矩陣不等式轉(zhuǎn)化為可解的線性矩陣不等式。

2.3 故障診斷與自適應(yīng)魯棒H∞容錯控制一體化設(shè)計

上文設(shè)計的一體化容錯控制器實在估算故障參數(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計的，由于估算的故障參數(shù)的不確定性，因此實際操作過程中出現(xiàn)的故障可能遠遠超出的設(shè)計前期計算的范圍，需要控制故障參數(shù)的控制器不斷更換。為了提高估計參數(shù)設(shè)計容錯控制器魯棒性，需要從以下三個方面著手。

一是提出執(zhí)行器自檢測動態(tài)系統(tǒng)輔助診斷系統(tǒng)執(zhí)行器故障，將執(zhí)行器自檢測動態(tài)系統(tǒng)與原被控系統(tǒng)結(jié)合組成增廣系統(tǒng)，然后在此增廣系統(tǒng)上設(shè)計未知輸入觀測器，不僅將故障觀測器中外界干擾與執(zhí)行器故障解耦，而且將各執(zhí)行器故障相互解耦，同時給出此未知輸入觀測器存在的充分必要條件；二是設(shè)計帶射影限制的梯度自適應(yīng)故障參數(shù)估計器，給出故障參數(shù)的估計誤差的收斂條件以及估計誤差的上下界；三是利用故障估計參數(shù)和估計誤差的上下界，設(shè)計自適應(yīng)魯棒H∞容錯控制器。

3 結(jié)語

本文論述的變結(jié)構(gòu)飛行器故障診斷與容錯控制系統(tǒng)的一體化涉及涉及的問題還有很多，如當(dāng)多種故障同時發(fā)生時，如何繼續(xù)有效、科學(xué)、準(zhǔn)確的判斷出故障，如何激勵一體化系統(tǒng)中出現(xiàn)的反饋型號，另外系統(tǒng)運行過程中允許出現(xiàn)時滯和實時性的現(xiàn)象。這些問題需要在變結(jié)構(gòu)飛行器容錯系統(tǒng)應(yīng)用中不斷吸取經(jīng)驗，不斷完善。

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