某型涡扇发动机分布式容错控制系统设计与试验验证

为了提高某型涡扇发动机控制系统的安全性和可靠性,提出1种分布式架构下的容错控制方案。基于模块级硬件冗余的思想,设计了包含7个智能节点的基于TTP/C(时间触发协议)总线的发动机分布式容错控制系统,可以实现核心控制节点的硬件备份。基于控制律重构的方法,采用模型参考变结构控制算法设计了容错控制器,可以根据系统故障情况将控制结构切换至无故障的控制回路中。搭建了涡扇发动机分布式容错控制系统硬件在环仿真试验环境,开展了容错控制系统的试验验证。结果表明:在核心控制节点故障时,容错控制系统可以在120 ms内快速启用热备份节点代替故障节点;在非核心控制节点故障时,容错控制系统可以在100 ms内完成控制回路的切换,并保证发动机各状态量不产生明显波动。     

航空发动机性能恢复控制方法

针对航空发动机部件蜕化导致性能变差问题,设计了航空发动机性能恢复控制系统,系统根据发动机的工作状态以及健康状态在常规转速控制模式、稳态性能恢复控制模式和加速性能恢复控制模式之间切换.稳态性能恢复控制模式在常规转速控制模式的基础上设计了一个外环控制回路,通过自适应修正稳定状态下压气机转速指令达到蜕化发动机性能恢复的目的;加速性能恢复控制模式通过综合常规转速控制方法和喘振裕度控制方法,在保证发动机气动稳定的同时,充分挖掘发动机潜力,从而达到恢复蜕化发动机加速性能的目的.通过不同状态不同部件蜕化下的仿真结果表明恢复蜕化发动机性能的有效性.      

基于MPC的民用涡扇发动机主动容错控制研究

在民用涡扇发动机模型预测控制器设计的基础上,提出一种隐性判断故障并调整控制律的主动容错控制方案。首先建立正常模式及各种已知故障模式的动态模型库,然后在每个采样周期判断当前发动机状态与动态模型库中各模型的匹配度,选择最佳匹配的预测模型,以其预测控制算法作为该时刻的子控制器,且保证各子控制器间能够平滑切换。最后以两种事先考虑的部件级故障,及某种未知故障的情况为例,进行了主动容错控制仿真,结果表明监控决策机制能够在0.5s内判断故障并给出切换指令,切换逻辑能保证不同子控制器间的平滑过渡,验证了该方法的有效性。     

一种基于模型的涡扇发动机容错控制策略

针对民用涡扇发动机,研究了一种基于模型的航空发动机容错控制策略.在发动机原有闭环控制系统的基础上,该策略对发动机各控制量进行容错控制修正,达到缓和甚至消除故障对控制系统影响的目的.针对民用涡扇发动机常见的高压压气机和高压涡轮性能退化故障,提出了以恢复发动机运行性能为目的的性能指标,通过遗传算法离线计算得到容错控制计划表,并利用插值计算实现在线容错控制.经仿真验证,该策略控制性能良好、实现简单.结果表明:在确保各温度限制不超标的情况下,受影响较大的增压级喘振裕度恢复至故障发生前的水平,同时风扇与高压压气机喘振裕度的降幅不超过5%,推力的降幅不超过3%.      

双目标约束下的航空发动机分布式控制系统最优保成本容错控制

针对带参数摄动、Markov时延、数据丢包和外部干扰的航空发动机分布式控制系统,研究了当执行机构发生部分失效故障时的被动容错控制问题,在H∞性能指标和成本性能指标双重约束下设计了最优保成本容错控制器.首先对系统模型中的各不确定参数进行量化描述,并在此基础上建立整个闭环系统的增广模型;其次证明了双目标约束下闭环系统渐进稳定的充分条件,并给出保成本容错控制器的设计方法;基于双目标相容性理论,得到最优保成本容错控制律的求解方法.仿真结果表明最优保成本容错控制器能够在执行机构发生区间内的任一随机故障时保证闭环系统渐进稳定,并具备一定的H∞性能.且当发动机低压转子转速发生1%阶跃变化时,最优保成本容错控制器的主燃油流量和尾喷管临界截面积峰值仅为最优鲁棒H∞容错控制器的16.03%和16.93%.     

航空发动机主燃油执行机构容错控制

为了在主燃油计量活门位移传感器出现故障时仍能实现航空发动机全包线范围内的转速自适应控制，根据航空发动机 转速自适应控制原理提出了一种基于零极点配置原理的容错控制方法，根据高压转子转速控制计划与实测转速之间的误差对主 燃油控制电液伺服阀电流进行闭环运算，并运用零极点配置原理将控制参数与转速自适应控制相融合，参数在全包线范围内随发 动机状态变化进行自适应调整，通过半物理模拟试验对该容错控制方法进行了验证。结果表明：该容错控制方法能够在全包线范 围内保证数字电子控制系统稳定工作，并具有较好的稳态和动态性能，发动机高压转子转速稳态波动量在±0.15%以内，超调量和 下降量分别在0.63%和0.61%以下，而且容错控制方法实施方便、自适应性强，对提高航空发动机数字电子控制系统的工作可靠 性具有重要作用。     

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。     

涡扇发动机气路部件故障增益调度容错控制

针对涡扇发动机气路部件故障导致控制性能下降甚至影响安全性的问题,提出了一种增益调度容错控制器设计方法。在全飞行包线内对发动机不同的工作点,基于部件线性化方法建立高精度的带健康参数的发动机线性化模型,并设计相应的卡尔曼滤波器构建气路部件故障诊断模块,估计出反映发动机气路部件故障程度的健康参数;针对不同工作点处正常状态和部件故障状态的线性化模型,分别设计一系列的鲁棒控制器,并根据调度参数和健康参数对发动机进行增益调度控制,以某型民用涡扇发动机为对象实现控制器的仿真验证。仿真结果表明：通过引入健康参数这一新的调度变量实现了增益调度容错控制,改善了原控制系统在气路部件发生故障导致部件流量和效率较大变化时的控制效果,保证了系统的稳定性;同时,在全飞行包线范围内有效地实现了气路部件故障下控制指令跟踪,达到了期望响应性能,控制误差、超调量和调节时间都很小,符合发动机控制系统技术要求。     

涡轴发动机转速信号故障对策研究及试车验证

以某型涡轴发动机为对象, 对转速传感器失效状态下全权限数字电子控制系统(FADEC)采取的控制对策进行研究.确定了某型涡轴发动机的容错控制规律.试验在台架条件下进行, 采用“故障模拟杆”方法, 对发动机容错控制进行研究.试验结果表明, 所采用的故障对策和验证方法实施方便, 容错控制能够有效维持发动机的功率输出.验证试验为双发装机匹配提供了有益的经验, 对其它型式的发动机亦具有参考价值.      

航空发动机分布式控制系统动态输出反馈鲁棒H∞容错控制

针对存在网络诱导时延、外部干扰的航空发动机分布式控制系统,提出了执行机构发生部分失效故障时的输出反馈容错控制方法。对航空发动机分布式控制系统中网络诱导时延以及执行器部分失效问题进行量化说明,在此基础上,采用动态输出反馈控制器建立增广闭环系统。针对所建立的增广闭环系统,对H∞性能约束下的增广闭环系统稳定性进行分析,并利用线性矩阵不等式理论设计了输出反馈H∞容错控制器。仿真结果表明,当两个执行机构输出值分别为衰减80%和50%时,控制系统在所设计的控制器作用下均方渐进稳定,且具有H∞性能指标为0.63,同样在正向偏差故障条件下也具有很好的容错能力。      

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。     

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。     

航空发动机内置式永磁容错发电系统的研究

针对内置式航空发电系统高功率密度、高可靠性和高输出性能的要求,提出了基于三相四桥臂的航空用永磁容错发电系统。利用永磁容错电机大电感的特点,改进了传统弱磁控制算法,提出了简单高效的直轴电流I_d解析法弱磁控制,通过实时计算弱磁电流给定实现了宽速范围（3倍额定转速）内的恒压发电控制。同时,根据容错电机磁隔离的特点,以保证故障前后电机定子磁场为圆形旋转磁场为前提,结合电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法实现了单相断路或短路故障的容错发电控制。通过MATLAB仿真验证了控制算法的正确性。最后,对一套7.5 kW永磁容错发电系统进行了算法验证实验,验证了I_d解析法弱磁控制和容错控制的可行性,为后续的系统性能测试打下基础。     

航空发动机数控系统执行机构回路故障诊断和容错控制方法

提出了航空发动机数控系统执行机构控制回路基于数学模型的故障诊断方法,以及针对执行机构位置传感器故障的控制算法容错控制方法。工程应用结果表明能显著提高故障诊断准确性和快速性,有效地实现容错控制,且实施方便、实时性好,对提高航空发动机数控系统工作可靠性具有重要作用。      

高可靠电机系统主动变结构与容错控制技术

为了更好地、更高性能地适应航天器多极端工况对伺服系统输出特性的需求变化以及高可靠应用需求,提出了一种新型高可靠电机系统,其主要包括变结构控制器、可变结构驱动拓扑和变结构容错电机。根据系统所需,通过在线变换驱动器与电机绕组的连接方式,重构电机系统结构和参数,进而改变电机系统的输出性能,最终实现每个工况下均能达到航天任务所需性能最优的目的;在驱动器或者电机绕组发生故障时,亦可通过电机系统结构变换,将故障进行隔离并进行容错控制,让剩余的正常部分还能输出所需的扭矩,实现电机系统的带故障运行,保证系统具有故障-工作的高可靠性能力。     

SE(3)上航天器姿轨耦合固定时间容错控制

针对相对运动航天器姿轨一体化控制问题,考虑执行器故障和控制输入饱和的影响,提出了一种基于滑模的模糊自适应固定时间容错控制方法。首先,在李群SE（3）的框架下建立并推导相对运动航天器姿轨一体化误差动力学模型;其次,引入执行器故障和控制输入饱和的问题,采用双幂次快速终端滑模面,并结合模糊自适应方法设计了固定时间稳定的容错控制器,可以实现执行器故障情况下相对运动航天器的高精度快速跟踪控制;然后,运用Lyapunov方法证明了系统的稳定性,该控制器不仅能不依赖于系统的初始状态实现滑模趋近和到达阶段的固定时间稳定性,而且由于采用模糊逼近方法结合自适应更新策略可以实时高精度地估计系统的总扰动信息,因此可以达到快速高精度的容错控制目标;最后,对所提出的的控制方法进行数值仿真分析,结果验证了该方法的有效性和可行性。     

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。     

涡轴发动机数控系统控制规律及容错控制

用Simulink仿真工具,建立了某涡轴发动机及执行机构的数学模型,对涡轴发动机数控系统的稳态控制规律、加减速控制规律,关键传感器故障后的容错控制规律进行了仿真研究,提出了涡轴发动机控制的完整解决方案.仿真结果表明,该控制方案能在无故障和有故障的情况下,保证控制系统稳定工作,并具有较好的稳态和动态性能.     

基于分布式自适应的多智能体容错一致性控制

针对"领航者-跟随者"的多智能体编队，由于领航者系统出现故障引起编队通讯中断而不能完成任务的问题，提出了一种基于一致性理论的分布式自适应控制方法，用于解决该问题。首先，以一个位于顶点的智能体作为领航者，其余3个位于同一条线上的智能体作为跟随者，由此所构成的三角形编队作为被控对象。其中，领航者速度方向作为编队的前行方向，跟随者位于领航者之后。其次，基于图论，对智能体局部信息参数进行分布式自适应更新，并设计分布式自适应控制律，用于弥补多智能体编队中领航者故障所造成的影响。同时，根据相邻智能体的局部信息，设计整体分布式自适应容错控制律，进一步通过构建合理的Lyapunov函数，证明所设计控制器的稳定性，以及"领航者-跟随者"之间相对横向以及相对纵向的距离误差均收敛于固定常数。最后，仿真验证表明：所提出的自适应控制方法具有良好的鲁棒性，这也为工程实践提供了理论依据。