近空间飞行器故障诊断与容错控制的研究进展

近空间飞行器具有飞行速度快、飞行包线大、气动特性变化剧烈及飞行环境复杂多变等特点,故障诊断与容错控制技术对提高其安全性和可靠性具有重要意义。本文通过对近空间飞行器故障诊断与容错控制技术的国内外研究现状调研和分析,阐述了近空间飞行器动力学模型及飞控系统的故障类型,分析了近年来国内外关于近空间飞行器故障诊断与容错控制技术的主要研究成果和存在的问题,最后对近空间飞行器故障诊断与容错控制技术未来的发展方向和面临挑战进行了展望。     

发动机数控系统智能容错技术的半物理仿真研究

提出基于自联想神经网络的发动机数控系统的智能容错技术。该方法不依赖系统模型，只需要发动机的测量值来离线训练网络。若发生性能蜕化，该方法能自动切入故障诊断与最优估计的综合逻辑。文中开展了半物理仿真实验，实验结果充分证明了该技术能适应实验现场多变的环境，能正确诊断发动机传感器故障并提供解析余度，具有较好的鲁棒性。     

基于正负序分离的无轴承永磁同步电机位置传感器容错控制

无轴承永磁同步电机（Bearingless permanent magnet synchronous motor, BPMSM）凭借无接触、无磨损的优异性能在工业生产中获得广泛应用，对旋转和悬浮的精确控制是保证其稳定运行的关键，需实时获取高精度的转子位置信息以实现切向力矩和径向悬浮力的解耦。为保证位置传感器故障情况下BPMSM稳定运行，文中提出一种基于正负序量分离的BPMSM传感器容错控制方案。首先，结合BPMSM数学模型，分析传感器故障对电机转矩和悬浮系统的影响。在此基础上，提出一种基于过零点检测的故障诊断函数，实时监测传感器信号故障。其次，引入旋转坐标系分析传感器信号中正序分量和负序分量的特征，分离出正序分量并提取其中的转子位置信息，构建位置检测容错系统完成故障信号到容错策略的切换，实现BPMSM在传感器故障情况下的稳定运行。最后，基于一台BPMSM实验样机对所提方案的有效性进行了充分的仿真与实验验证。     

基于自适应逆最优控制的卫星容错控制

针对卫星在轨飞行过程中存在的一类执行机构故障,提出一种基于自适应逆最优控制原理的卫星姿态容错控制设计方法。考虑卫星执行机构出现故障的情况,将系统的不确定性参数作为估计的自适应参数,基于逆最优原理采用积分反推方法求解辅助系统的自适应控制Lyapunov函数,设计了能够确保原系统鲁棒稳定的自适应逆最优控制器。同时基于Lyapunov方法,从理论上推导了所设计出的控制律的稳定性,并通过仿真进行了控制算法验证。仿真结果表明,所设计的基于自适应逆最优控制的卫星容错控制方法能够保证执行机构出现故障时姿态控制系统稳定。     

容错导航系统的一种联合滤波器结构及其算法

本文提出了一种采用联合卡尔曼滤波器结构的容错导航系统的滤波算法。这种在多处理机环境下并行处理的分布式滤波算法有效地解决了具有多子系统的容错导航系统的实时要求。主滤波器的状态联合算法保证了获得系统最优公共状态估值。基于联合滤波器结构,水文提出了容错导航系统的故障检测与隔离(FDI)算法,将故障检测隔离决策归结为各子系统的状态估值与基于系统特性及先验噪声模型的状态估值之间的均值一致性检验问题。FDI算法决策并隔离发生故障的子系统对整个系统性能的影响。基于公共状态量的概念,简化了FDI算法的计算。     

基于未知输入观测器的四旋翼无人机故障诊断与模型参考容错控制

对四旋翼无人机（Unmanned aerial vehicle， UAV）姿态控制系统的执行器故障诊断问题进行了研究，在系统模型方面全面地考虑了模型的非线性和四旋翼无人机在飞行过程中受到外部干扰的情况。由于未知输入观测器可以将干扰、误差等作为未知输入进行处理，对干扰不敏感而对故障比较敏感，故设计了一种新的未知输入观测器进行故障诊断。同时为了保持四旋翼无人机在故障发生后的稳定性或者仍然可以按照预定轨迹运动，在得到准确的故障估计后为四旋翼无人机姿态控制系统设计了模型参考容错控制器，使其可以跟踪给定的参考模型。仿真结果证明了本文提出的故障诊断与容错控制方法的有效性。     

故障大系统的鲁棒容错控制方法

本文提出了对执行机构故障具有完整性的大系统分散鲁棒控制器设计方法。根据执行机构故障对系统的影响,建立了系统的故障模型。研究了故障大系统对执行机构故障的容错能力,导出了与故障大系统容错能力相关的不等式,表明增加大系统的鲁棒性指数,可以改善故障大系统的鲁棒性和容错能力。从而,按照系统的要求,选择适当的鲁棒性指数,利用高斯方法,可方便地设计出动态大系统的分散鲁棒容错控制器。     

控制输入约束下非线性系统输出反馈容错控制

针对一类非线性系统的执行器增益故障,在考虑控制输入幅值约束下,研究了故障系统的主动容错控制策略。利用静态输出反馈控制策略,基于Lyapunov理论和线性矩阵不等式技术给出了重构容错控制器的递推设计方法,确保故障闭环系统在满足给定控制输入幅值约束下的鲁棒稳定性,并具有与无故障正常系统接近的其他优化控制性能。仿真算例表明了本文容错设计策略的有效性。     

网络系统的容错控制、优化与博弈研究综述

网络系统是一类由多个子系统通过机械或通信相互耦合所构成的系统。该系统由于其结构复杂、耦合机制多变,具有较高发生故障的概率。随着近几年人工智能的快速发展,网络系统除了可能发生物理故障,还可能存在恶意决策,为系统的安全性带来了新的威胁。本文首先针对网络系统的物理故障,从容错控制和容错优化两个角度总结和梳理当前国内外相关的研究成果。接着,沿着容错博弈控制技术发展的脉络,从博弈控制到分别面向物理故障和恶意决策的容错博弈控制,总结了相关的研究成果。进一步,梳理了当前博弈论在集群飞行器中的应用现状,并以此抛砖引玉,希望推动容错博弈成果在航空航天领域中的应用。最后给出了几个未来值得探索的研究方向。     

传感器饱和约束下网络化系统的故障检测

针对通信带宽受限和传感器饱和约束的网络环境,通过引入一种基于事件触发机制的传输策略,研究一类网络化动态系统的故障检测问题。首先,以全阶滤波器作为残差发生器并利用状态增广的方法将原系统故障检测问题转化为H∞滤波问题;然后,利用Lyapunov稳定性理论和时滞系统自由权阵分析方法建立了故障检测滤波器的存在条件,并基于此条件求解凸优化问题得到最优滤波器参数;最后,通过数值仿真验证所提出事件触发机制故障检测方法的有效性。     

一类不确定非线性系统的故障诊断方法

提出一种基于观测器的残差生成器方法来达到对一类多输入多输出非线性不确定系统进行故障分离的目的。通过对待监测故障引入适当的假设,同时假定不确定性满足Lipschitz条件,设计了一种残差信号来完成故障诊断,设计过程应用了高增益观测器和自适应故障诊断观测器方法,同时不需要借助线性逼近方法。最后分析了该残差信号对于待监测故障的敏感性和对于不须报警的故障的不敏感性。     

基于多智能体系统的飞机舵面故障诊断方法

采用了多智能体系统方法对飞机系统的舵面故障诊断问题进行分析.首先从飞机系统的复杂性角度分析了该方法对其进行故障诊断的适应性,然后提出了对组成飞机舵面故障诊断系统的各智能体进行分类、建模和编码的方法,并在此基础上提出了故障诊断智能体的交互模型.在仿真实例中,采用Simulink建立了F-16飞机的仿真模型,用JADE平台构造了故障识别智能体以通过数据融合来对具体的舵面故障进行诊断,并利用MAC-Sim建立了Simulink与JADE平台之间的信息互通.仿真结果说明,该方法能够通过智能体的交互与协作来实现飞机舵面单故障和组合故障的在线协同诊断.     

基于模糊故障树理论的液压系统故障诊断方法研究

针对液压系统故障的多发性、故障在封闭回路中的传递性、设备构造的复杂性等特点,通过对现有故障诊断方法的分析,提出了基于模糊故障树理论的故障诊断方法。以泵控马达系统为研究对象,通过分析该系统的故障形式,建立了该系统的模糊故障树,进行了量化分析和算法研究,介绍了模糊故障树方法的原理、方法和特点。研究表明,这种方法较之传统方法实用、有效     

基于降维UIO的飞控系统鲁棒故障诊断

针对同时存在对象矩阵参数的摄动、外界扰动和故障的一类线性系统,基于降维的未知输入观测器(Un-known input observer,UIO)技术对飞控系统执行器故障进行诊断,使得系统对矩阵参数摄动和外界干扰具有良好的鲁棒性.该诊断方法把原系统分解为两个子系统,一个子系统受故障的影响,而另外一个子系统不受故障的影响,但状态可测.这样,不但大大降低了计算量,而且保证了故障诊断的快速性和准确性.     

基于主元分析的多传感器故障检测

针对动态系统的压力、温度、流量等传感器数据,给出了一种基于主元分析法的传感器故障检测与诊断方法。该方法能够在对测量参数相关性分析的基础上,将传感器测量值所组成的测量空间分解为主元和残差两个子空间,通过传感器实际测量数据与正常数据矩阵在残差子空间投影的比较,对传感器的故障进行检测与诊断。通过双容水箱被控系统的传感器进行检测,结果表明主元分析法对传感器具有很好的故障检测和故障诊断能力。     

定量反馈理论在鲁棒与容错飞行控制系统中的应用

定量反馈理论（Quantitative feedback theory,QFT）作为一种新颖的频率域鲁棒控制技术，综合考虑了对象的不确定性范围和对系统的性能指标要求，以定量方式在Nichols图上展开分析与设计，从而保证了设计结果具有稳定鲁棒性和理棒性。而当飞机控制舵面局部受损或失败时，飞机模型气动导数所受的影响可看作是不确定对象鲁棒性问题的扩展，因此，考虑舵面受损与失效时的容错习行控制系统也可用QFT方法进行分析与设计。本文在讨论QFT原理与设计方法的基础上，以某型无人驾驶飞机的纵向飞行控制系统为例，对鲁棒和容错飞行控制技术进行了分析、研究与设计，获得了满意的设计与仿真结果。     

基于线性参数变化自适应观测器的鲁棒故障诊断

基于线性参数变化自适应观测器,研究了一类具有外部扰动的不确定线性参数变化系统的鲁棒故障诊断问题。针对飞控系统具有非线性和时变的特点,运用了线性参数变化技术,提出一种基于线性参数变化自适应观测器的自适应故障估计算法来估计故障信息。为降低外部扰动对故障估计的影响,引入了H∞鲁棒性能指标来设计线性参数变化自适应观测器以及故障估计算法。结果表明,该方法具有良好的故障估计性能,且对外部扰动具鲁棒性。设计过程中,将参数的求解转化为线性矩阵不等式（LMIs）约束下的凸优化问题。最后,将该方法应用于直升机线性参数变化飞控系统执行器故障诊断,仿真实验验证了该方法的有效性。     

故障诊断专家系统中的模糊推理方法

分析了在构造机械加工故障诊断专家系统时领域知识的不确定性，认为国在故障诊断领域，专家的思维逻辑以及大部分领域知识反映的事物的模糊性而不是随机性，由此提出了基于模糊集理论的模糊诊断方法。利用隶属度和模糊综合评判的概念和方法有效地处理了领域知识描述和诊断推理中的不确定性问题，指出了在模糊推理模型中，模糊诊断权矩阵是专家诊断知识和诊断经验的集中体现，并且给出了确定初始诊断权矩阵的方法。     

基于故障检测滤波器的歼击机结构故障检测

提出一种新的适用于多种故障类型的故障检测滤波器设计方法，该方法基于故障输出空间，通过配置在特征向量来设计检测增益阵以实现对系统参数的小范围变化，具有较好的鲁棒性，避免了采用多个检测滤波器对不同的故障进行检测。同时，研究了残差与控制输入和故障程度的关系，提出了自适应检测阈值设计方法，并将其应用于歼击机的结构故障检测。     

多Agent装备故障诊断与维修系统研究

提出利用多Agent技术设计装备故障诊断与维修系统,设计了该系统的工作流程和若干个智能A-gent,各个单独的Agent都具有自己的判断方法、知识处理及同其它Agent的协作能力。通过任务共享和结果共享完成装备的故障诊断与维修。