非线性主动容错控制系统H∞模糊控制器设计

 考虑到实际主动容错控制(FTC)系统中故障以及故障检测与隔离(FDI)决策出现的随机性,用两个Markov过程分别描述系统的随机故障以及FDI的决策行为。采用Takagi Sugeno(T-S)模糊模型描述非线性主动容错控制系统,并基于并行分布补偿(PDC)方案以及线性矩阵不等式(LMI)优化技术,给出了使得闭环系统随机稳定且满足一个给定H_∞干扰衰减水平的模糊容错控制器设计方法。此外,考虑了一个次优的H_∞模糊容错控制设计问题。最后,倒车控制系统的仿真结果验证了所建议方法的有效性。     

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。     

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。     

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。     

基于反步法的航天器有限时间姿态跟踪容错控制

针对存在外部干扰、控制饱和以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,提出了基于反步法的有限时间控制方案。通过引入一类新型的具有有限时间收敛特性的积分式滑模面,设计了满足多约束的有限时间容错姿态跟踪控制器,并利用参数自适应方法使控制器设计不依赖于系统惯量信息和外部干扰的界。该容错控制方案的设计无需在线故障信息检测、分离甚至控制器重构,并显式地考虑了执行器输出的饱和幅值要求。稳定性分析表明:在控制饱和甚至执行器故障等多约束的条件下,本文所设计的控制器不仅保证了姿态跟踪的有限时间收敛性,且对于执行器故障具有优越的容错能力;数值仿真分析进一步验证了该控制器的控制性能,以及对外部干扰和系统不确定性的鲁棒性。     

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。     

基于模态切换的航空发动机容错控制

综合了航空发动机控制和故障诊断方法,设计了基于模态切换的任务级和发动机级模式的容错控制系统.任务级模式在发动机部件故障时,通过切换控制策略和控制模式达到恢复或降低发动机性能的要求;发动机级模式在控制回路失效时,根据故障情况切换到容错控制回路,从而保证发动机继续正常工作.数字仿真结果表明:在稳态或加速过程中出现部件故障时,容错控制系统都能够100%恢复发动机的推力;在发动机中间、慢车和节流状态下,当压气机转速控制回路失效时,容错控制系统能够在3s内平稳切换到风扇转速控制回路.      

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.     

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%.     

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。     

一种针对结构损伤的非线性容错飞行控制方法

飞机结构损伤会引起气动参数变化,进而影响系统的静稳定性和控制精度。针对具有多输入的非线性飞机模型,利用带有二阶命令滤波器的自适应反步控制方法在线估计飞机气动参数,补偿结构损伤导致的气动参数变化对控制系统的影响,以实现容错飞行控制功能;引入的命令滤波器可以避免反步控制中复杂的求导运算。从理论上分析证明了带有二阶命令滤波器的自适应反步控制的闭环系统稳定性,并给出了控制跟踪误差的理论上界和二阶命令滤波器频率参数选取的下界。通过一个大型客机垂直尾翼脱落场景的仿真实验,验证了所提容错控制方法的有效性。     

设备运行过程故障容错控制研究

将故障诊断与容错技术相结合,提出了利用检测的故障信息对设备运行中的故障进行容错控制的设计方法,并对几种容错控制方案及其实现进行了分析和讨论,最后给出了一个工程实例。     

航空发动机主供油计量活门故障主动容错控制器设计

针对航空发动机主供油计量活门执行机构发生故障时,系统的输出将会发生跳变,不能很好地跟踪系统期望输出的现象,采用模型参考自适应方法设计了主动容错控制器来解决这一问题.首先针对执行机构故障问题进行了数学描述.其次,选取系统的标称模型为参考模型,以输出误差最小化为优化目标,基于李雅普诺夫稳定性原理,寻找合适的自适应调节律,设计了自适应容错控制器.最后,针对发动机某一工况点进行了不同故障情况下的数值仿真.仿真结果表明:在主供油计量活门发生跳变故障和卡死故障时,自适应容错控制器可以通过参数自动调节,使得系统的输出能够很好地跟踪模型的输出,跟踪误差最终逼近于零.      

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.     

反坦克导弹的一种自校正制导控制方法

利用规范化模型和加权自校正控制方法,对反坦克导弹提出了一种自校正控制器。并在广义最小方差自校正控制律中引入了能自动调整的加权因子,以兼顾系统的稳定性和动态性能指标及适应反坦克导弹快速时变对象的控制要求。数字仿真结果表明,这种控制器对反坦克导弹有很好的控制效果,而且控制器算法简单,对过程的非线性、阶次失配和未建模扰动均有较强的鲁棒性。     

Future architecture of flight control systems

The development of fault tolerant embedded control systems such as flight control systems (FCS) are currently highly specialized and time-consuming. We introduce a conceptual architecture for the next decade control system where all control and logic are distributed to a number of computer nodes locally linked to actuators and connected via a communication network. In this way, we substantially reduce the life-cycle cost of embedded systems and attain scalable fault tolerance. All fault tolerance is based on redundancy. Our philosophy is to cover permanent faults with hardware replication and handle all error processing caused by both permanent and transient faults with software techniques. With intelligent nodes and use of inherent redundancy we introduce a robust and simple fault tolerant system that utilizes minimum hardware and has bandwidth requirements of less than 300 kbits/s, which can be met with an electrical bus. The study is based on an FCS for JAS 39 Gripen, a multi-role combat aircraft that is statically unstable at subsonic speed.     

飞机着陆时的容错导航

研究了飞机在微波着陆环境中的传感器容错系统。该系统的主要目的是检测辅助导航设备和机载传感器的故障,并在这些传感器可能发生故障时提供可靠的飞机状态估计值。自动导航和控制系统利用这些状态估计控制和引导飞机按预定路线降落。