基于拜占庭容错体系构架的航天器控制系统测试性设计与分析

摘要： 飞行控制系统作为航天飞行器的关键机载系统,其运行情况直接关系到飞行任务的成败.通过良好的测试性设计,可以提高系统的可靠性和安全性,减少维修人力及其他保障资源,降低寿命周期费用.对拜占庭容错体系结构的航天器控制系统和分层多信号流图模型的测试性设计和建模方法进行了详细的叙述,并对基于拜占庭容错体系结构的航天器控制系统进行了测试性建模,通过测试性建模和分析系统（TMAS软件）验证控制系统测试性设计的正确性和有效性.     

用于空间站的四重冗余对接控制系统设计

针对空间站所处太空环境的特殊性、对接机构对空间站正常运行的重要性,以及对航天器可靠性要求日益增加的问题,提出在对接控制系统中增加可靠性设计,实现整个机构的高质量、平稳运转。在完成正常控制功能的基础上,在系统中采用了四重冗余的工作机制,包括主备机双热备份、自动/手动控制模式切换、自动控制关闭指令双线发送和工作模式的三取二判断,对四重冗余设计的具体判断流程进行了详细的解释。对控制系统软件进行仿真验证,结果表明：本方法设计的对接控制系统具有高可靠性和故障容错能力。     

小卫星星务管理计算机容错系统的设计

采用双机冗余的容错方案,对小卫星星务管理计算机容错系统的设计进行了较为深入的探索。在设计中,充分利用软、硬件容错技术相结合的优势,完成了星务管理计算机系统级和部件级硬件体系结构设计。提出了在主机发生故障的临界状态,启动备份机工作的临界切换设想。最后,通过仿真实验和系统模型可靠性分析,证明了系统可以满足设计的要求,具有较高的理论和实践价值。     

导弹增量式自适应容错控制系统设计

导弹在实际飞行中存在气动参数不确定、执行机构故障等问题,从而对导弹飞行控制系统稳定性与操控能力造成严重影响。为此,设计一种增量式自适应容错控制方法,在实现导弹安全控制的同时,兼顾姿态控制算法时效性与可靠性。建立面向控制的三通道耦合姿态动力学模型;考虑系统不确定性和执行机构故障,基于增量式动态逆方法设计导弹被动容错控制律;基于自适应滑模控制与增量式动态逆方法,设计增量式动态逆自适应容错控制律,并对系统残差进行分析比较;通过某典型全弹道姿态跟踪任务,验证舵面故障下的姿态跟踪特性。仿真结果表明:所提方法在故障未知的情况下,能够保证飞行控制系统的鲁棒性与容错能力,实现导弹的安全可靠控制。      

带马尔可夫参数容错控制系统的可靠性分析

带马尔可夫参数的容错控制系统(FTCSMP,Fault Tolerant Control System with Markovian Parameters)作为一种描述主动容错控制系统(AFTCS,Active Fault Tolerant Control System)的模型,在一些文献中被用于系统稳定性分析.然而很少有文章研究FTCSMP的可靠性问题.以故障检测与隔离(FDI,Fault Detection and Isolation)装置监视下的冗余传感器组为研究对象,建立了其FTCSMP模型,进而研究该传感器/FDI装置的可靠性.在该模型中,用2个定义在不同状态空间中的齐次马尔可夫随机过程分别表示系统元件的故障过程和FDI装置的决策过程.基于马尔可夫理论,研究了传感器/FDI装置的可靠性和安全性.当FTCSMP中的系统故障过程和FDI过程为生灭过程时,将故障检测延迟时间分为"有效"和"无效"2种类型,分析了这2种延时对传感器/FDI装置可靠性、安全性的影响.以双余度惯导系统为例,给出了仿真例子.      

SpaceWire CODEC的容错设计和实现

对SpaceWire CODEC进行容错设计是提高其可靠性的重要途径.分析SpaceWire协议的容错性能,介绍SpaceWire CODEC的容错设计方法,通过故障汇入和仿真验证了容错设计的有效性.     

带马尔科夫参数时滞容错控制系统稳定性分析

在主动容错控制系统 (AFTCS, Active Fault Tolerant Control System)中,故障检测与隔离(FDI,Fault Detection and Isolation)装置是核心部分,对系统故障诊断过程建模并研究其对整个系统的影响是十分重要的内容.考虑控制系统传感器到控制器之间由网络传输造成的常时滞,用两个马尔科夫随机过程分别描述系统的故障过程和故障诊断过程,建立多马尔科夫参数的系统模型;进而研究故障诊断装置对系统稳定性的影响,基于矩阵直积的方法,给出了不依赖延时的系统均方随机稳定的充分条件,为故障诊断方法的选择和评估提供了依据;最后给出了计算实例,根据稳定性条件,得出了在保持系统稳定的前提下,时滞、误检率和漏检率应满足的条件.      

总线容错机制及其验证方法

卫星系统广泛采用容错技术以提高系统的可靠性,而总线通信的稳定性和可靠性对于系统任务的成功至关重要．工程研制中,通常采用总线容错技术对系统通信故障进行识别和屏蔽．介绍了基于故障仿真技术的总线容错机制验证方法,包括故障规格分析技术、故障用例生成技术和故障仿真技术,利用该方法对某星载软件的总线通信功能进行了容错测试,验证了方法的有效性和实用性．     

基于矩独立重要度的电路系统容错设计方法

电路系统在运行过程中不可避免会发生失效,而容错设计可以有效降低失效风险。传统的电路系统容错方法主要是根据设计人员经验认知对电路系统进行分析改进,但是通常难以准确确定对系统性能影响显著的重要元器件。因此,提出了一种基于重要度分析的电路系统容错设计方法。首先,提出了电路系统矩独立重要度定义与计算方法,以对电路系统中各元器件的矩独立重要度进行计算和排序;然后,给出了冗余系数与冗余次数的定量关系,并提出重要度-冗余系数的映射准则,以此为基础即可实现电路系统的最佳容错设计;最后,以某空间电源稳压器电路为案例,验证了所提方法的有效性。所提基于矩独立重要度的电路系统容错设计方法对改进电路系统容错能力、提高电路系统可靠性有重要意义。      

容错待命储备系统的任务可靠性计算

讨论了待命储备系统具有容错性能时的任务可靠性计算, 由于故障检测器、切换器和待命器件是否可靠,直接影响该容错系统的可靠性.为了正确评估系统的任务可靠性,这里考虑了检测器和切换器存在一定的误警率和误切换率. 据我们所知,Markov模型是处理这个问题的主要工具,而国内很少有这方面的讨论.本文用Markov理论来确定系统的状态及其状态转移矩阵, 从而容错可靠性的计算问题得到解决,此外还讨论了有关误差概率的计算模型.     

基于干扰补偿的导弹增量式动态逆容错控制方法

针对导弹飞控系统存在外部干扰、执行机构故障等问题,运用一种鲁棒增量式动态逆被动容错控制方法,以避免主动故障诊断带来的计算效率问题,同时实现飞行姿态的可靠安全控制。针对外部干扰及执行机构故障等控制系统不确定性,建立导弹三通道姿态控制模型,基于干扰观测器对不确定性进行估计与补偿设计终端滑模控制律。为进一步增强导弹姿态控制系统的鲁棒性,给出导弹增量式动态逆容错控制律,结合终端滑模控制设计干扰补偿的增量式动态逆终端滑模控制律,并对系统残差进行分析比较。某典型全弹道姿态跟踪任务仿真表明,该方法在故障未知的情况下仍然保持姿态跟踪特性与容错能力,实现导弹姿态鲁棒精准快速控制。     

一体化电液作动器容错结构设计

一体化电液作动器(EHA, Electrical Hydrostatic Actuator)是功率电传(PBW, Power by Wire)飞控操纵系统的一部分,为了保证整个飞控系统的可靠度,必须采用多余度结构配置.飞控系统分别从可靠度、任务成功率、余度和故障管理水平以及性能、重量等角度提出了EHA的设计指标要求,并按照设计指标要求,对EHA各个组成部分的失效率进行了计算.根据计算结果,针对一种可行的EHA容错结构,分别计算了由于EHA故障导致的任务中断率(PMA, Probability of Mission abort)和失控率(PLOC, Probability of Loss of Control).计算结果表明此种结构形式能够满足飞控系统对作动器可靠度的要求.最后根据选用的可靠度模型,设计出具有容错能力的多余度作动系统,并对此容错结构进行了详细阐述.      

可修系统的可用度分析方法研究

介绍了一种新的可修系统可用度分析方法--可修系统动态故障树建模分析方法.为了获得高的可靠性和可用性,计算机控制系统大量采用了动态余度管理、储备及复杂的故障恢复技术,使计算机控制系统呈现出很强的动态性和实时性.采用动态故障树与Markov过程综合方法,将计算机控制系统的动态时序用DFTA(Dynamic Fault Tree Analysis)描述,将系统可修过程用Markov过程描述,将系统分解成若干个小的模块,逐步计算各模块的可用度、等效故障概率和维修率,最后综合进行整个系统的可用度分析.     

不确定非线性主动容错控制系统模糊控制设计

考虑到实际主动容错控制系统中故障以及故障检测与隔离(FDI,Fault Detection and Isolation)决策出现的随机性,随机故障与FDI决策行为分别用两个Markov过程描述,用T-S(Takagi-Sugeno)模糊模型表达不确定非线性主动容错控制系统,并基于并行分布补偿(PDC,Parallel Distributed Compensation)方案,给出了能够保证闭环模糊系统鲁棒随机稳定的模糊控制器设计方法.鲁棒容错模糊控制器的存在条件由一组线性矩阵不等式(LMI,Linear Matrix Inequality)给出,从而方便地利用优化技术求解,随后倒车控制系统的仿真结果验证了所建议方法的有效性.      

过驱动并联机器人驱动力矩的特解构造法

以一种平面三自由度过驱动并联机构为研究对象,分析其运动学方程,并采用虚功原理和等效力方法推导了该机构的动力学模型.讨论过驱动机构的容错性,给出了故障前后驱动关节力矩突变的定义.分析过驱动机构逆动力学方程解的不确定性,从提高机构的可靠性以及容错性角度出发,提出一种新的过驱动机构驱动力矩分配思路,以驱动器集可靠度作为系数乘子,采用故障后力矩分配的确定解构造过驱动机构输入力矩的不确定解.将这种方法与传统的力矩分配方法所得到的各关节力矩突变之和进行比较,数据计算结果表明该方法具有更好的容错性能.      

动态系统的容错技术

所讨论的动态系统的容错技术包括故障检测、故障定位和系统重构技术。文中研究了基于数学模型的容错技术，讨论了因数学模型不准而引起的故障检测和定位不鲁棒的问题，提出了若干增强鲁棒性的方法，对故障后的系统重构问题也作了简要介绍。