基于可诊断性约束的测点优化配置研究

为提高卫星的安全性和可靠性,适应在设计阶段对故障诊断进行考虑的需求,以动量轮为例,将故障可诊断性作为优化目标,提出基于DM分解技术的测点优化配置方法,并给出故障可诊断性评价的相关定义.分析动量轮模型和故障,建立动量轮的结构模型;采用DM技术对动量轮的结构模型进行分解,并分析动量轮模型的解析冗余关系;在对各故障的可检测性和可分离性进行分析的基础上,根据结构模型的偏序关系,获得使故障具有可检测性和可分离性的最小传感器集合;给出故障可诊断性评价的定义,并针对两种传感器配置情况,进行可诊断性分析.本文所提方法为设计阶段开展故障诊断的研究提供了借鉴和参考.     

一种混合动量轮系的故障重构策略研究

针对卫星快速机动的需求,提出一种动量轮混合配置的策略,给出在系统故障重构且维持整星零动量情况下,混合轮系中各动量轮标称角动量的分配方法以及力矩分配矩阵的算法,使得重构后单轴能够输出最大力矩.计算结果表明新算法能有效降低小力矩动量轮饱和带来的不利影响,增强了系统的控制能力.     

冗余飞轮姿控系统控制分配与重构研究

针对具有多冗余执行机构的航天器姿态控制系统,给出了处理冗余的控制分配方案,该方案考虑了幅值和速度约束条件并实现了二次最优．仿真验证了分配环节的有效性,并比较了不同求解算法下的动态分配效果．针对执行机构可能出现的故障,提出了结合故障诊断与隔离系统的执行环节控制重构方法,实现了机构故障下的容错控制,通过卫星姿态跟踪控制仿真,验证了分配和重构环节与控制回路的相容性．     

定量与定性相结合的动量轮故障可诊断性评价

为了提高动量轮的故障诊断性能,采用定量与定性相结合的方法对故障可诊断性评价方法开展研究。在分析动量轮和控制器模型的基础上,建立定量的动量轮闭环系统模型;分析动量轮的各种故障模式,将其分为测量类、驱动类和控制器类故障,并在动量轮系统模型中进行表示;依据故障到输出的传递函数是否等于0以及不同故障到输出的传递函数是否相同的思路,研究各类故障的可检测性和可分离性判断条件,对动量轮的各故障模式进行评价,给出相应的评价结果对于不可分离的故障集合,研究基于定性模型的故障可诊断性评价方法,即根据动量轮各功能模块之间的关系,结合动量轮的故障模式影响分析结果,建立故障与征兆之间的关联矩阵,通过分析各故障对应的数据,进一步给出动量轮故障可诊断性的评价结果。最后,提出故障可诊断性相关的定量指标,根据动量轮故障可诊断性评价结果,给出各故障以及动量轮的可检测度和可分离度等,为后续故障可诊断性设计提供依据。     

基于启发式算法的可重构性指标分配

串联有约束条件下的可重构性指标分配问题,针对考虑部件故障的系统给出了可重构度的概念和计算方法,并论证了其合理性.结合最优冗余分配理论和可重构度定义给出了可重构度最大化的冗余分配模型,在此基础上提出了基于启发式算法的可重构性指标分配方法,该方法可解决约束条件内资源优化配置问题,并得到系统最大可重构度的解.直接寻查法作为以往具有代表性的最优冗余分配方法,用作系统可重构性指标分配仿真,与所提方法作比较,结果显示基于启发式算法的可重构性指标分配方法较前者有更高的有效性.     

基于峭度熵与分层极限学习机的动量轮轴承故障诊断研究

动量轮是卫星姿态控制系统的关键部件，其可靠性直接关系到整星寿命与安全。作为动量轮的核心组件，轴承易于发生故障，且独特结构和复杂运行环境导致监测信号信噪比低，早期故障诊断困难。针对这种情况，对变分模态分解和峭度熵结合的特征提取方法进行研究，获得动量轮轴承监测信号中的微弱故障特征，并建立特征向量。引入分层极限学习机，对结构和编码方法进行优化后用于轴承故障的识别。最后，将提出的方法用于实际故障的诊断，并通过与传统ELM方法比较，得出提出的方法在动量轮轴承故障诊断中具有更高的诊断精度，达到98.5%。     

非冗余舵面与RCS复合故障的自愈控制方法

临近空间飞行器在稀-稠大气过渡阶段且反推力矢量装置(Reaction Control System, RCS)有剩余燃料的情况下,RCS对于非冗余舵面的故障补偿与在线重构具有重要意义。基于此,本文研究了针对非冗余舵面与RCS复合故障的自愈控制方法,以实现飞行器的安全可靠控制。首先,建立了执行机构故障等不确定影响下的姿态控制模型;其次,针对舵面故障给出了基于残差观测的故障检测与自诊断方法,设计了RCS与舵面复合故障的分离诊断策略;然后,基于非线性比例-微分控制及故障诊断信息,设计了舵面故障补偿的自愈控制器;同时,基于RCS故障喷管序列判定,设计了复合故障下RCS在线重构的自愈控制器。最后,通过某典型全弹道姿态跟踪数值仿真,验证了该方法的有效性及可靠性。     

多操纵面飞机综合重构飞行控制方法

为提高飞机飞行安全性能,将被动重构控制与主动重构控制相结合,提出了一种综合重构飞行控制系统设计方法.采用轨迹线性化控制方法进行飞行控制律设计,使系统具有较强的鲁棒性.针对多操纵面飞机,提出面向故障的操纵面管理概念,通过基排序最优控制分配方法以基底的形式对操纵面进行重新组合,并按照期望控制目标进行排序,实现在操纵面故障下的控制重构.仿真结果表明,该控制系统能有效处理各种典型操纵面故障,在操纵面发生故障时仍能快速跟踪控制指令,保证较好的飞行性能.     

分布式系统中的冗余任务分配研究

提出了分布式容错系统的任务分配算法,算法考虑了系统任务的周期性、冗余性、适应度、重要等级等特点,以处理机负载平衡为目标,通过三步静态分配实现了任务在处理机中的冗余分布,即使同一任务的活动任务、准活动任务和睡眠任务分布在不同处理机中.对系统执行过程中的处理机故障,启动冗余任务动态唤醒算法,通过任务状态的转换实现系统重构.冗余任务分配算法既能满足系统可靠性要求,又可保证系统重构的实时性.     

零动量卫星轮控系统可重构性设计研究

针对卫星姿态控制系统设计中常见的动量轮配置问题,总结了星上常用的5种轮控系统构型,首先对各种构型从角动量包络、干扰力矩下动量轮的饱和情况、系统功耗和可靠性等方面进行了可重构性分析和比较,在此基础上提炼了动量轮可重构性设计准则,可为轮控系统的设计提供参考依据。     

基于WPI的多操纵面飞机积分滑模容错控制

针对含位置和速率限制、故障重构存在误差和时滞下的过驱动飞行器损伤故障的容错控制问题,提出了一种基于动态自适应加权伪逆法(WPI,Weighted Pseudo Inverse)的积分滑模主动容错方法.采用指令限制模块对饱和控制信号及瞬时干扰进行限制,设计了动态自适应控制分配律逐步减小指令饱和,同时通过故障估计值修正控制分配律来直接补偿气动力损失,降低了故障对系统稳定的影响;设计积分滑模律实现了含重构不匹配和时滞的稳定控制.仿真结果表明,所设计的控制器能快速准确地跟踪参考指令,对时滞具有较强的鲁棒性,同时对损伤故障具有较强容错能力.     

基于DWNN的机电作动器渐变性故障诊断

飞机飞行控制系统机电作动器（EMA）的渐变性故障很难准确预判,若不能及早发现而任其发展就会影响到飞机的飞行安全性。针对EMA的渐变性故障,提出一种基于动态小波神经网络（DWNN）的故障诊断方法。首先,利用EMA在电机电枢绕组匝间短路、传动装置丝杆和滚珠磨损等多种渐变性故障状态下的运行数据来训练DWNN故障诊断模型;然后,利用训练好的DWNN模型对EMA渐变性故障进行诊断。创新之处在于DWNN模型利用小波分解算法去除了传感器测量信号中高频分量的影响,利用反馈神经网络的记忆能力融合了过去输入的信息和过去预测的信息,提高了对EMA渐变性故障诊断的准确性。通过对某型EMA进行故障诊断实验,仿真结果表明所提出的DWNN方法可以实现对EMA部件渐变性故障的准确诊断。      

基于键合图模型的SHA/EMA余度系统的故障诊断

针对液压伺服作动器（SHA）和机电作动器（EMA）组合的余度系统中故障模式复杂的问题,采用基于键合图模型的故障诊断方法,可以诊断出系统中多种参数故障。首先建立SHA/EMA余度系统的行为模型,然后根据因果关系倒置法转换成诊断键合图模型,进而推导出计算残差的解析冗余关系式（ARR）,并创建故障特征矩阵（FSM）作为故障隔离的依据。联立行为模型和诊断模型对可隔离故障进行诊断,并通过ARR估计故障参数以诊断不可隔离故障。选取典型故障进行仿真验证,结果表明可隔离故障和不可隔离故障均被成功隔离,验证了所提方法对SHA/EMA余度系统的故障诊断是有效可行的。      

运载火箭十表捷联惯组配置的故障诊断与决策

容错技术及故障诊断技术是提高导航系统的精度及控制系统的可靠性的有效方法，尤其是捷联导航系统中的故障诊断技术，已经在运载火箭控制系统中得到了广泛的应用。针对运载火箭十表捷联惯组配置，提出了一种故障诊断和决策方法，并在此基础上进行了信息重构方案和故障诊断门限的设计。数学仿真结果表明：该方法能够快速诊断惯性器件表头故障并进行信息重构，实现故障情况下的输出，进而完成飞行任务，对工程应用具有一定的参考价值。     

卫星姿态容错控制系统的鲁棒自适应逆最优控制

针对卫星姿态控制系统中的执行机构和敏感器故障问题,将系统不确定性参数作为在线估计自适应参数,并考虑系统故障检测与诊断结果的不确定性,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并给出了详细的证明。最后进行了数学仿真,仿真结果表明文中设计的容错控制方法合理有效。     

基于比例分配的过驱动碟形飞行器滑模控制

为了避免一些执行机构提前出现饱和,针对具有位置约束的过驱动碟形飞行器,按照执行机构的约束范围,提出了一种比例分配策略.基于该策略,可以使双输入系统简化成单输入系统,并避免有执行机构提前出现饱和.考虑执行机构具有一阶动态特性和系统气动参数的不确定性,设计了滑模控制律.通过比例分配和伪逆分配的比较,得出了一种确定伪逆分配权矩阵的方法.仿真结果表明了该方法的正确性和有效性.     

基于自适应观测器的非线性系统故障诊断

研究一类非线性系统执行器故障诊断问题。对于故障系统,建立一种自适应观测器,通过在线调整,故障后执行器的未知参数被在线逼近。所提出的自适应调整律能够保证观测器稳定及故障估计误差收敛。最后引入卫星反作用飞轮模型,对单飞轮发生故障的情况进行了仿真,结果表明提出的方法有效、可行。     

卫星姿态控制系统的故障可诊断性评价研究

在不依赖任何诊断算法的前提下,对卫星姿态控制系统中传感器和执行器的故障可诊断性进行评价,旨在将提高系统故障诊断能力的工作重点前移到设计阶段.由于反馈控制的存在,导致故障会在整个系统中进行传播,使得单故障源表现出多异常征兆,这给闭环系统的故障诊断带来极大挑战.将故障视作扩展状态,并考虑模型不确定性,得到卫星姿态闭环控制系统的状态空间模型;根据可观测性判据,给出并证明考虑建模不确定性的加性故障和乘性故障可诊断性条件.所得相关结论可为卫星姿态控制系统设计提供理论参考依据.     

一种改进的固液火箭发动机故障诊断方法

针对固液火箭发动机的可靠性问题，设计了一种改进的贝叶斯网络故障诊断方法，可以通过网络化自主逻辑推理，对固液火箭发动机进行故障诊断。为了提取时序观测信号的故障特征，提出将步进法与核主成分分析(KPCA)相结合的分析方法，并根据模糊C均值聚类算法(FCM)建立模糊多态贝叶斯网络，实现对观测信号尺度的模糊处理，提高对不确定性故障的诊断能力。通过Matlab/Simulink建立改进的贝叶斯网络故障诊断系统。仿真结果表明，改进的算法能够实现对固液火箭发动机常见故障的有效诊断，并能够适应小样本集学习的情况。与传统贝叶斯诊断算法相比，故障诊断的平均准确率提高了20.9%。