一类有限时间观测器设计及其在飞控系统中的应用

文章针对强可观系统提出了一种有限时间全阶未知输入观测器(Unknown Input Observer,UIO)。首先,设计2个独立的全阶UIO,其特征值满足一定的要求;其次,合并这2个观测器得到新的有限时间观测器,并且能够在预先设定的时间内准确估计出系统状态和未知输入,并借助超螺旋微分器重构了未知输入;最后,用一个飞控系统例子诠释了算法的有效性。     

用于涡轴发动机传感器故障诊断的未知输入观测器干扰矩阵估算

针对处理涡轴发动机控制系统传感器故障诊断问题时有着良好性能的未知输入观测器展开研究,分析了与系统建模误差相关的干扰矩阵对未知输入观测器观测出的系统状态准确度的影响,提出了一种基于全阶状态观测器的涡轴发动机系统模型干扰矩阵的估算方法,该方法对某一固定工况下的干扰矩阵估算十分准确,使得根据此干扰矩阵设计出的未知输入观测器可以完全不受系统建模误差的影响.在此基础上,又给出了一种适应于更广泛工况范围的干扰矩阵近似方法,使得变工况下的未知输入观测器一样不受建模误差的影响.仿真结果表明:基于该方法估算出的干扰分布矩阵可以保证观测器具有良好的性能,在变工况下对发动机输出量估计残差的二范数不大于2.      

模型基涡轴发动机传感器故障诊断研究

基于干扰解耦思想,针对涡轴发动机工作中传感器瞬时断路硬故障模式,提出一种基于模型的涡轴发动机未知输入观测器传感器硬故障诊断方法。通过对地面、高空工作的涡轴发动机不同传感器故障的模拟,验证了该故障诊断方法的有效性。结果表明,基于模型设计的未知输入观测器(UIO),能够对系统输入中的测量干扰未知输入信号进行有效解耦,同时传感器故障信息通过UIO计算获得的输出估计具有鲁捧残差性能。     

1种未知输入观测器的推广设计方法

为使未知输入观测器的应用范围更广,提出1种解决在未知输入观测器(UIO)设计过程中对象测量输出线性相关问题的方法。通过对测量输出的线性相关性分析,测量输出可以被合理分组,使得各组内包含部分互相线性无关的测量输出并且保证这些分组涵盖了所有需要诊断的测量输出传感器;以这种方式来满足设计UIO的存在条件,并在此基础上针对不同分组来设计UIO以进行关于传感器的故障诊断算法设计。针对1个工程实例,使用UIO进行传感器的故障诊断设计验证了该方法的可行性。     

基于未知输入观测器的非线性动态系统故障估计

针对一类受扰非线性动态系统的执行器故障估计问题,提出一种未知输入观测器来实现故障估计。首先,通过坐标变换将原系统转化为合适的形式;其次,采用线性矩阵不等式与Lyapunov泛函分别设计H_∞输出反馈控制器和未知输入观测器,在此基础上实现对系统中执行器故障的渐近估计;最后,通过机械臂系统仿真分析并验证了所提方法的有效性。与已有方法相比,所提方法不要求故障可导,也不要求故障或干扰上界已知,因此易于在工程实际中实现对非线性系统执行器故障的估计。     

双重未知干扰解耦的多传感器系统偏差校正与状态估计

具有未知干扰输入的随机系统状态估计问题广泛存在于控制、通信、信号处理和故障诊断等领域，但目前的研究成果大多局限于单传感器动态离散系统。针对状态方程含有未知干扰、量测方程含有未知偏差的多传感器系统状态估计问题开展了研究，提出了一种双重未知干扰解耦下的最小方差无偏估计滤波器。首先，建立量测偏差通用演化模型；然后，解耦偏差演化模型中的未知输入，设计最小方差无偏估计器对量测干扰偏差进行估计；之后，利用估计出的量测偏差来校正动态系统测量值；最后，根据量测偏差校正后的系统模型设计最优状态观测器，获得具有最小方差无偏的状态估计。径向飞行控制系统的例子验证了所提方法的有效性，与相关方法的仿真对比反应了所提方法的优越性。     

基于未知输入观测器的涡扇发动机直接推力控制

针对某型涡扇发动机,进行直接推力控制回路设计方法研究.基于未知输入观测器(UIO)原理建立了涡扇发动机机载模型和推力估计器,UIO通过解耦外界干扰实现了全飞行包线推力的准确估计;提出了直接推力闭环反馈控制的双回路结构设计方案,内环转速控制,外环推力控制,有利于实现各回路控制参数的独立设计.仿真验证结果表明:基于UIO的模型基涡扇发动机直接推力控制具有良好的控制稳定性和抗干扰性能,对于发动机不同工作点直接推力控制,推力控制误差不超过0.1%,转速控制偏差不超过0.2%.      

航空发动机加力燃烧燃油控制系统主动容错控制

为提高航空发动机加力燃烧燃油控制系统的容错性和可靠性，针对同时存在非匹配扰动、传感器故障和内泄漏故障的燃油计量装置，提出一种新型自适应积分鲁棒主动容错控制策略。其中，基于自适应参数估计的非线性未知输入状态观测器可有效估计系统状态和传感器故障，且不受内泄漏故障和非匹配扰动影响。通过引入滤波误差函数，将积分鲁棒控制和自适应控制相结合，以同时处理传感器噪声、非匹配扰动下的内泄漏故障。基于Lyapunov理论，严格证明了计量活门阀芯位移可渐近跟踪到参考信号。仿真结果表明，在非匹配扰动、传感器故障和内泄漏故障并存的模式下，所提出的主动容错控制在最大跟踪误差、平均跟踪误差、跟踪误差标准值、ITAE和ITSE等性能指标均有改善，分别降至0.035 6、0.001 8、0.013 6、25.197 3、4×10^-4 mm。该技术可为航空发动机健康管理提供新的途径和思路。     

基于LMI和离散模型的航空发动机压气机传感器鲁棒故障诊断

针对航空发动机压气机健康监测提出了一种基于线性矩阵不等式(LMI)和H_∞优化理论的航空发动机压气机传感器鲁棒故障诊断的方法.在航空发动机具有模型不确定性和外界噪声的情况下,应用基于神经网络的线性拟合方法实现航空发动机压气机离散模型的建立;并通过LMI和H_∞优化问题的求解得到未知输入观测器的设计参数,实现具有强鲁棒性的传感器故障诊断.该方法比以前研究中未知输入观测器故障诊断方法的优点在于能够同时处理模型不确定性和外界噪声.应用ALSTOM公司提供的燃气涡轮压气机模型进行了仿真验证,在压气机具有白噪声模型误差和正弦外界干扰的情况下,实现对小于测量范围2%的传感器故障的检测和诊断.      

柔性航天器振动主动抑制及姿态控制

针对柔性航天器柔性附件振动主动抑制及姿态高精度快速稳定问题，研究了一种输入成形器（IS）-自适应有限时间干扰观测器（FDO）-有限时间积分滑模控制器综合的设计方法。首先，基于柔性模态的频率及阻尼信息，获得能够有效抑制柔性振动的输入成形器形式，并与系统参考输入进行卷积，得到期望参考输入；其次，基于航天器动力学模型，设计一种新型的自适应有限时间干扰观测器，避免了综合干扰上界必须已知的约束，且保证干扰估计误差有限时间收敛至零，实现对干扰及残余振动影响的快速精确估计；最后，基于观测器的估计值，设计多变量有限时间积分滑模控制器，保证对期望参考输入的高精度快速跟踪控制，并进行严格的稳定性证明。仿真结果表明，该综合设计策略能够保证柔性附件振动抑制75%，姿态稳定度达到10^-4数量级。     

基于二阶鲁棒滑模观测器的民用涡扇发动机气路故障诊断

针对状态估计器在航空发动机气路参数估计中响应迟缓、鲁棒性不强等问题,以未知输入重构的思路,提出了一种基于Super-twisting滑模观测器的航空发动机气路故障诊断方法。通过将健康参数考虑为未知输入,设计滑模切换项重构健康参数的变化量,由于避免了状态估计器设计中健康参数导数为零的假设,本文的方法在处理突变故障时拥有更快的响应速度。针对鲁棒性问题,提出了一种新的故障向量增广形式,通过将扰动项增广至健康参数向量中,观测器的重构信号能够同时估计出健康参数变化量以及扰动项的大小,实现扰动与部件故障的解耦,从而避免了不确定项对健康参数估计结果的影响。本文建立了民用涡扇发动机包线范围内的线性变参数模型,通过不同故障模式下的数值仿真,并与状态估计器比较,验证了方法的有效性。结果表明,设计的滑模观测器具有小于0.5%的估计误差,有效地提高了气路健康参数的估计速度,增强了对不确定性的鲁棒性。     

Fault diagnosis of an intelligent hydraulic pump based on a nonlinear unknown input observer

Hydraulic piston pumps are commonly used in aircraft. In order to improve the viability of aircraft and energy efficiency, intelligent variable pressure pump systems have been used in aircraft hydraulic systems more and more widely. Efficient fault diagnosis plays an important role in improving the reliability and performance of hydraulic systems. In this paper, a fault diagnosis method of an intelligent hydraulic pump system (IHPS) based on a nonlinear unknown input observer (NUIO) is proposed. Different from factors of a full-order Luenberger-type unknown input observer, nonlinear factors of the IHPS are considered in the NUIO. Firstly, a new type of intelligent pump is presented, the mathematical model of which is established to describe the IHPS. Taking into account the real-time requirements of the IHPS and the special structure of the pump, the mechanism of the intelligent pump and failure modes are analyzed and two typical failure modes are obtained. Furthermore, a NUIO of the IHPS is performed based on the output pressure and swashplate angle signals. With the residual error signals produced by the NUIO, online intelligent pump failure occurring in real-time can be detected. Lastly, through analysis and simulation, it is confirmed that this diagnostic method could accurately diagnose and isolate those typical failure modes of the nonlinear IHPS. The method proposed in this paper is of great significance in improving the reliability of the IHPS.     

基于UIO的航空发动机控制系统传感器故障诊断

研究了航空发动机控制系统传感器鲁棒故障检测与隔离问题,提出了一种克服不同干扰对控制系统诊断性能影响的方法.应用未知输入观测器(unknown input observer,简称UIO)理论来解耦航空发动机动态系统干扰,并针对控制系统传感器设计一族UIO,提取出一系列的传感器残差特征数据,通过分析残差队列的幅值特性,实现航空发动机控制系统传感器故障诊断.在高斯白噪声、模型工作点变化和非高斯噪声三类干扰下的数字仿真结果表明,不管何种干扰,UIO诊断方法均能检测和隔离出传感器故障,在诊断鲁棒性方面,要优于Kalman滤波器诊断算法.      

基于鲁棒故障观测器的非线性离散系统容错控制设计

针对存在执行器故障以及未知干扰的非线性离散系统,提出了一种鲁棒故障估计与容错控制方法。首先在未知系统干扰作用下,设计鲁棒故障观测器实现系统状态和执行器故障的同步估计;然后根据鲁棒故障观测器得到的系统状态估计和故障估计信息设计容错控制器,进行状态反馈容错控制,同时基于D稳定与H_∞控制理论对鲁棒故障观测器和容错控制器进行设计,实现了多约束条件下的故障估计与容错控制;最后用飞行控制系统模型验证了所提方法的有效性。     

具有Lipschitz非线性系统的航天器故障检测

对存在未知干扰的Lipschitz非线性系统,探讨了基于滑模观测器的执行器故障检测的方法。通过等价状态变换,可以得到2个子系统,其中一个子系统与执行器故障和未知干扰耦合,而另一个子系统则只与执行器故障耦合。在此基础上,提出了一种免受未知干扰影响,可对执行器故障敏感的滑模观测器设计方法。这种滑模观测器可以作为故障检测工具,而将其输出估计误差作为残差发生器,用于执行器故障检测。相比滑模观测器的故障重构方法,该方法大大放宽了对数学假设条件的要求。最后,对一个大攻角状态下的航天器的简化模型进行了数字仿真,仿真结果表明了所提方法的有效性。     

一种改进的自适应故障诊断设计方法及其在飞控系统中的应用

基于自适应故障诊断观测器提出一种新的自适应故障估计设计方法。针对传统自适应故障估计设计方法难以满足故障估计性能的要求以及存在严格的等式约束增加了观测器设计的难度等问题,提出新的自适应故障估计设计方法,该方法不仅能够显著地提升故障估计的性能,而且通过运用不等式变化有效地避免了严格的等式约束,基于Lyapunov稳定性理论以矩阵不等式的形式给出了误差动态系统稳定的新的充分条件。最后,对某型飞控系统的仿真实验验证了所提方法的有效性。     

高超声速飞行器的滑模观测器设计

对一个高超声速飞行器设计了滑动模态观测器来估计攻角和航迹倾角。通过实时的求解一个极点配置问题,使观测器的切换增益能够根据观测器状态的变化而改变,从而保证了观测误差的动态特性在整个飞行包线内的一致性,给出了单输出和多输出非线性系统的滑模观测器设计过程。设计和仿真算例验证了这种方法的有效性。