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。     

基于状态反馈的执行器故障容错控制

针对线性离散系统的执行器故障,提出了一种基于状态反馈的容错控制方法。该方法在应用自适应卡尔曼滤波进行系统状态和故障同步估计的基础上,通过故障信息和状态估计进行状态反馈,对闭环系统进行极点配置,从而修正执行器故障造成的系统误差,实现容错控制。最后,将该方法应用于飞行控制系统的执行器故障容错控制,仿真结果表明该方法不仅能够准确地进行故障估计,而且能够在故障情况下保证系统输出正常,具有一定的理论意义和实际工程应用价值。     

三相永磁容错电机单相故障的容错控制

为了使三相永磁容错电机在单相故障后仍能输出满足要求的转矩,提出了容错电流优化控制方法。针对开路故障,利用故障前后磁动势不变的原则,得到了故障时的容错补偿电流,实现对转矩脉动的补偿。针对短路故障,利用分开补偿的策略,对由短路电流引起的转矩脉动和缺相不对称转矩脉动进行分开补偿,进行了电流矢量合成,实现了电机在短路时输出转矩脉动的最小化。通过MATLAB/Simulink进行仿真,验证了所提出容错控制方法的有效性。     

综合容错飞行控制系统的设计与仿真

将主动容错控制与被动容错控制相结合,提出了一种综合容错飞行控制系统的设计方法。首先利用基于凸优化的线性二次型控制器构造可靠控制系统,然后通过故障检测滤波器对执行机构进行故障检测分离,并使用伪逆法重构控制律。仿真结果表明,该方法提高了飞行控制系统的可靠性。     

容错飞行控制技术的应用研究现状与发展趋势

如何将容错飞行控制理论研究与工程应用紧密结合是值得关注的问题。从解决飞控系统自身故障的余度容错技术、解决飞控系统被控对象故障的容错控制技术和制约主动容错控制发展的故障诊断技术3个方面研究了容错飞行控制在工程应用中的发展现状。分析了容错飞行控制的核心技术和难点问题,对未来容错飞行控制技术的发展提出了思考与建议。     

作动器故障下的无人机容错控制方法

在执行任务过程中,无人机的传感器、作动器等均可能出现故障。文章针对常规布局无人机的作动器故障,提出了 1种反步法和控制分配相结合的容错控制方法。首先,建立无人机数学模型,并对作动器故障进行分类和建模;然后,根据模型设计反步最优控制器和基于控制分配的容错控制器;最后,通过仿真验证表明,所设计的容错控制方法能够实现作动器故障下的姿态快速稳定控制,且稳定性好,基本无侧滑角,各操纵面均在约束范围内,达到容错控制要求。     

容错型混合励磁磁通切换电机的模型预测控制

为了提高电机驱动系统的带故障运行性能,实现电机的最小铜耗容错运行,提出一种基于模型预测控制算法的容错型混合励磁磁通切换(FTHEFS)电机容错控制方法。以1台6/13极FTHEFS电机为控制对象,针对电机单相绕组断路故障,基于三相四桥臂逆变器拓扑,分别对模型预测转矩控制和无差拍模型预测磁链控制算法下的最小铜耗容错控制方法进行研究分析,并对所提容错控制方法的可行性和有效性进行验证。研究结果表明:两种控制方法均能使故障前后转矩、转速和定子磁链保持不变,同时降低故障后的电机铜耗,保证系统稳定运行。与模型预测转矩控制相比,无差拍模型预测磁链容错控制能够在降低开关频率的同时减小故障前后的磁链脉动。     

空天飞行器直接力/气动力复合容错控制

考虑发生发动机推力损失故障的空天飞行器，针对直接力、气动力复合容错控制问题，设计一种基于自适应滑模的容错控制策略。首先，对于发生推力损失故障的摆动发动机，考虑X型安装的实际特点，对线性化后的俯仰通道控制模型进行故障等效，并采用自适应的方法对故障及干扰信息进行估计，综合利用舵面与发动机摆动角进行容错控制器设计。其次，考虑纵向容错控制对飞行器横侧向稳定性的影响，基于自适应反步的方法，利用方向舵与组合工作的左、右升降舵抵消干扰力矩的影响，保证横侧向的稳定。最后，基于李雅普诺夫稳定性理论，对所采用方法进行了分析，并通过仿真结果验证了所设计的复合容错控制方案的有效性。     

基于非对称SVPWM的电动汽车五相永磁无刷电机容错控制

针对电动汽车用五相永磁无刷电机单相开路故障,提出了一种基于非对称空间矢量脉宽调制策略的故障容错控制方案。新型故障容错控制的设计分为两个部分,对五相永磁无刷电机驱动系统开路故障下的电压矢量关系进行了分析,然后对空间矢量调制算法进行改进,即在一个扇区中选择构成不对称波形的开关状态作为输出。该非对称空间矢量调制可以降低非故障相的电流谐波和降低转矩脉动。基于试验平台开展了试验研究,试验结果验证了新型容错控制可实现系统故障期间的低转矩脉动,且保持较好的动态性能。     

卫星姿态控制系统容错控制综述

主要针对卫星姿态系统容错控制研究领域已有的成果进行了回顾。总结了国内外卫星容错控制的现有成果,主要从卫星姿态控制系统的可重构性、单体卫星容错控制和卫星编队容错控制3个部分对相关的研究成果进行了归纳分析。其中,卫星姿态系统的可重构性从重构目标和系统功能要求两方面进行分析;对单体卫星容错控制现状的介绍主要从自适应技术、滑模理论、预设性能、干扰观测器、故障估计观测器几个方面展开;卫星编队容错控制方法从独立容错、协同容错、拓扑重构和组成重构的角度进行阐述。最后进行总结,并展望了卫星姿态控制系统容错控制领域未来可能出现的新问题和研究思路。     

A two-stage approach for managing actuators redundancy and its application to fault tolerant flight control

In safety-critical systems such as transportation aircraft, redundancy of actuators is introduced to improve fault tolerance. How to make the best use of remaining actuators to allow the system to continue achieving a desired operation in the presence of some actuators failures is the main subject of this paper. Considering that many dynamical systems, including flight dynamics of a transportation aircraft, can be expressed as an input affine nonlinear system, a new state representation is adopted here where the output dynamics are related with virtual inputs associated with the intended operation. This representation, as well as the distribution matrix associated with the effectiveness of the remaining operational actuators, allows us to define different levels of fault tolerant governability with respect to actuators’ failures. Then, a two-stage control approach is developed, leading first to the inversion of the output dynamics to get nominal values for the virtual inputs and then to the solution of a linear quadratic(LQ) problem to compute the solicitation of each operational actuator. The proposed approach is applied to the control of a transportation aircraft which performs a stabilized roll maneuver while a partial failure appears. Two fault scenarios are considered and the resulting performance of the proposed approach is displayed and discussed.     

导弹的最小方差容错控制

提出了一种新的容错控制方案:随机参数最小方差控制。在这种方案中,控制对象被表达成为参数具有概率分布的随机模型。容错控制是随机参数和随机噪声情况下的最小方差控制。针对舵机回路传感器故障,设计了地空导弹容铅控制系统,并进行了数字仿真。结果表明,当导弹控制系统发生故障时,常规最小方差控制失效,但最小方差容错控制具有良好的动态响庆性能。     

航空开关磁阻发电机双通道容错性能研究

 12/8结构开关磁阻发电机(SRG)系统可以实现双通道工作，在一个通道故障时能够实现单通道容错工作模式, 以提高电源系统的可靠性。但由于两个通道之间存在强耦合，当系统单通道容错运行时电机性能将受到影响。通过建立12/8结构双通道开关磁阻发电机系统的数学模型，仿真分析不同工作模式下绕组电感和不同通道间绕组互感对电机性能的影响。提出一种新的绕组连接方案，实现了两个通道之间的解耦，以提高系统单通道容错运行时的电机性能。最后实验验证了理论和仿真分析的正确性以及该方案的有效性。     

飞机的模型参考容错控制

 本文针对飞机内部元件或控制元件的故障,用检测滤波器理论设计了相应的故障检测器和故障参数估计器,并用Lyapunov稳定性理论设计了模型参考自适应容错控制律,从而保证了在内部故障情况下飞行控制系统的稳定性。     

新一代飞控计算机余度构型

飞控计算机广泛采用容错技术达到高可靠性指标,随着可靠性要求的日益提高,必须引入新的容错结构以及余度构型。本文结合析一代飞控计算机对高可靠性、强实时性的要求,对比目前飞控计算机的容错结构以及余度构型,提出了三种三余度构型方案,并对其故障模式进行了分析。在此基础上针对三种方案之一介绍了一种分组优先级剥夺调度算法,给出了详细说明。最后对比了这三种新的三余度方案的优缺点,为容错飞控计算机的发展提供了构型、算法的参考。     

过驱动飞行器积分滑模容错控制方法

针对过驱动飞行控制系统中执行器故障时的协调分配问题,提出了一种基于积分滑模的容错飞行控制器设计方法.引入虚拟控制思想,构造了多执行器故障条件下飞行器层级结构控制的数学模型.运用小增益定理,推导了系统闭环稳定的充分条件,并基于线性矩阵不等式,建立了最优状态反馈的凸优化模型.以积分滑模面切换函数为变量,选取李雅普诺夫能量函数,设计了渐近稳定的积分滑模控制器.仿真结果表明,该方法可综合考虑执行器完好和故障时的控制效能,能够实现多操纵面容错飞行控制,具有较好的鲁棒性.     

临近空间无人飞行器多余度容错导航系统设计

临近空间无人飞行器导航系统的故障直接影响到飞行器的任务执行和飞行安全,因此必须能够长时间地保持稳定性和精确性,为达到此目的必须设计由惯性导航、卫星导航等多种导航传感器组成的多源多余度容错导航系统,提高系统的可靠性。针对临近空间飞行器制导控制对导航信息的需求,提出了一种标准的三余度导航系统架构,并设计了采用新型加权平均表决子算法,具备故障检测和隔离以及故障重构功能的容错重构算法,构建了适用于临近空间无人飞行器的多余度容错导航系统,通过实测试验数据仿真验证了容错导航系统的性能,展示了系统一次故障工作的故障容错能力。所研究内容也可被其他类型的无人飞行器借鉴和参考。     

Design of safety monitor schemes for a fault tolerant flight control system

For a research aircraft, "conventional" control laws (CLs) are implemented on a "baseline" flight computer (FC) while research CLs are typically housed on a dedicated research computer. Therefore, for an experimental aircraft used to test specific fault tolerant flight control systems, a safety logic scheme is needed to ensure a safe transition from conventional to research CLs (while at nominal conditions) as well as from research CLs at nominal conditions to conditions with "simulated" failures on specific control surfaces. This paper describes the design of such a safety scheme for the NASA Intelligent Flight Control System (IFCS) F-15 Program. The goals of the IFCS F-15 program are to investigate the performance of a set of fault tolerant CLs based on the use of dynamic inversion with neural augmentation. The different transitions are monitored using information relative to flight conditions and controller-related performance criteria. The testing of the scheme is performed with a Simulink-based flight simulation code and interface developed at West Virginia University for the NASA IFCS F-15 aircraft.     

飞控系统执行器模糊故障的鲁棒容错控制

以某型飞机为研究对象,对同时含有参数不确定性和执行器带有模糊故障的飞控系统,利用Ｒｉｃｃａｔｉ方程,融完整性,鲁棒性于一体,给出了状态反馈容错控制器的设计方法。并把此方法应用一某飞机纵向飞行容错控制中,仿真结果证了方法的有效性,为飞控系统的容错控制提供了一种有效的方法。     

Real time recovery of fault tolerant processing elements

A critical problem in the design of ultra-reliable fault tolerant systems is that of how to bring a redundant member back on-line, after a transient fault, without degrading critical real-time functions. Recovery from transients is imperative to maintain necessary system reliability in the face of transient errors which have been estimated to occur at a rate of 5 to 100 times that of permanent failures. Excessive delays associated with recovery become a problem when as much as 1 Mbytes of RAM in the faulty processor must be made congruent with the processing majority while maintaining full functionality of critical, real-time control algorithms. This paper describes a hardware assisted recovery technique which uses memory “tags” to determine which memory segments need to be restored such that recovery can be performed incrementally without affecting real-time operational tasks. Also presented is performance data associated with this technique's application to a Draper Laboratory quad-redundant processor responsible for vehicle control of a manned undersea vehicle