A two-stage approach for managing actuators redundancy and its application to fault tolerant flight control

In safety-critical systems such as transportation aircraft, redundancy of actuators is introduced to improve fault tolerance. How to make the best use of remaining actuators to allow the system to continue achieving a desired operation in the presence of some actuators failures is the main subject of this paper. Considering that many dynamical systems, including flight dynamics of a transportation aircraft, can be expressed as an input affine nonlinear system, a new state representation is adopted here where the output dynamics are related with virtual inputs associated with the intended operation. This representation, as well as the distribution matrix associated with the effectiveness of the remaining operational actuators, allows us to define different levels of fault tolerant governability with respect to actuators’ failures. Then, a two-stage control approach is developed, leading first to the inversion of the output dynamics to get nominal values for the virtual inputs and then to the solution of a linear quadratic(LQ) problem to compute the solicitation of each operational actuator. The proposed approach is applied to the control of a transportation aircraft which performs a stabilized roll maneuver while a partial failure appears. Two fault scenarios are considered and the resulting performance of the proposed approach is displayed and discussed.     

Design of passive fault-tolerant flight controller against actuator failures

The problem of designing passive fault-tolerant flight controller is addressed when the normal and faulty cases are prescribed. First of all, the considered fault and fault-free cases are formed by polytopes. As considering that the safety of a post-fault system is directly related to the maximum values of physical variables in the system, peak-to-peak gain is selected to represent the relationships among the amplitudes of actuator outputs, system outputs, and reference commands. Based on the parameter dependent Lyapunov and slack methods, the passive fault-tolerant flight controllers in the absence/presence of system uncertainty for actuator failure cases are designed, respectively. Case studies of an airplane under actuator failures are carried out to validate the effectiveness of the proposed approach     

空间智能桁架作动器/传感器位置优化中的遗传算法应用

研究了空间智能桁架振动控制中的作动器／传感器位置优化问题。在对作动器／传感器进行动力学建模的基础上，推导出整个空间桁架机电耦合作动方程和传感方程。基于作动效率和观测效率，提出了不依赖于控制方法的位置优化准则，采用遗传算法对作动器／传感器位置进行了优化。最后针对空间智能桁架进行了位置优化仿真和模糊振动控制仿真，仿真结果验证了遗传算法优化此类问题的优越性、可信性。     

基于快速终端滑模的航天器自适应容错控制

针对存在不确定的执行机构部分失效故障和未知外界扰动的航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模控制的容错控制方法。在没有故障检测与诊断信息的情况下,采用快速终端滑模控制原理,利用自适应算法在线估计得到的故障信息,设计具有鲁棒性的容错控制器,使系统在执行机构故障发生时,能在有限时间内以指数收敛,实现系统有限时间渐近稳定,以及对航天器的容错控制和干扰的抑制。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,该方法在保证系统鲁棒性和可靠性的同时,具有更快的收敛速率,实现执行机构故障时有效的航天器姿态跟踪控制。     

基于UIO的航空发动机执行机构故障诊断

为了提高航空发动机诊断过程中对噪声干扰和模型参数变化的鲁棒性,应用UIO(Unknown Input Ob-server)理论估计发动机动态系统的工作状态,通过干扰正交投影弱化外界干扰对状态估计的影响,处理了航空发动机执行机构的故障诊断问题。对航空发动机执行机构设计一组UIO观测器,其中每个UIO用于监测估计对应执行机构的故障偏移量,计算系统输出理论估计值与发动机实际测量信号间的残差数据,分析残差队列的幅值特性,实现航空发动机执行机构系统的故障检测和隔离。某型涡扇发动机上的实验结果表明,与Kalman滤波算法相比,UIO诊断方法更能鲁棒地检测和隔离出执行机构故障。     

变结构Anti-windup-PID控制器在天线伺服系统中的应用

针对某天线伺服系统中的速度稳定回路设计了变结构Anti-windup-PID控制器,克服了经典PID控制器输出饱和的非线性影响,使速度稳定回路在控制器输出饱和时仍能达到比较满意的性能指标。运用MATLAB中的simulink工具箱对速度稳定回路和电流回路建模,并引入该控制器进行仿真,同时通过实验测试该控制器。结果表明,控制器有效地抑制系统的积分windup现象,实现了系统的快速无静差调节,证明系统具有较好的鲁棒性和稳态性能。     

过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制

针对四反作用飞轮配置的刚体航天器执行机构故障以及外部干扰等问题,提出一种姿态容错控制分配算法。该方法通过设计滑模观测器,实现在有限时间内对执行机构故障与外部干扰的精确重构;特别地,应用Lyapunov稳定性理论证明了所设计的控制器能够在有限时间内实现对闭环姿态的全局渐近稳定控制,且该控制策略可实现对反作用飞轮故障与外部干扰的鲁棒性。此外,采用计算量较小的基序最优控制分配方法快速实现了期望控制力矩到四反作用飞轮指令控制力矩分配。最后,针对某型号航天器以及各种反作用飞轮故障进行数值仿真,仿真结果表明所设计过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制方法能够在线、及时、精准地完成故障重构与控制分配。     

舵机加载系统的鲁棒力矩渐近跟踪控制

针对舵机加载系统中存在未建模部分、时变、非线性等因素,设计了鲁棒力矩渐近跟踪控制器。分析了系统结构,并建立系统简化模型。为了抑制舵机运动扰动对加载系统的影响,提高系统跟踪性能,将舵机运动作为外干扰进行处理。根据系统输入信号的特点,基于内模原理,分别利用系统的传递函数和状态空间模型设计鲁棒渐近跟踪与干扰抑制控制器。针对期望极点难以选取的问题,利用最优化方法设计系统控制律,并引入期望衰减度调节系统力矩跟踪和扰动抑制性能。仿真结果表明,所设计的控制器能使系统获得较理想的跟踪性能,基于状态空间的最优化方法方便了系统设计。     

一种实现舵机带宽测试的系统辨识方法

本文讲述的是一种应用加权递推的最小二乘辨识算法测试舵机带宽的实用方法。文章简要介绍了舵机的工作特性和舵机模型的选取,概述了辨识算法的选取及实现过程,并在输入信号的选取和辨识数据的预处理等方面作了基本的探讨。文章还应用大量的实验数据分析了加权系数和遗忘因子的选取对实验结果的影响,最后验证了辨识结果的有效性。     

有无涵道动力下的类BWB低速布局气动特性研究

随着航空飞行器的不断发展,新型非常规气动布局研究早已成为世界航空大国的关注焦点。基于TRIP 3.0软件平台通过等效盘模型应用到涵道风扇内外流一体化模拟中,完成对类BWB低速布局有无涵道风扇动力下的气动特性和流场影响分析。首先,对某单独螺旋桨验证算例进行分析;然后,对单独涵道风扇进行计算,得到设计推力下的涵道动力叶片数、安装角及转速等参数;最后,将设计推力下涵道动力参数应用到类BWB低速布局全机有无动力模拟中。结果表明:计算拉力和扭矩值与试验值吻合较好;尾部布置的涵道动力对机身后段及尾翼压力分布影响显著;涵道对前方气流抽吸作用,加速机身后段上表面气流流速,减小内侧平尾有效迎角,对机身和平尾升力以及俯仰力矩系数影响较大;在小迎角状态下,涵道动力对机身增升作用明显,会产生明显低头力矩,但对平尾作用正好相反,且两者增量大小相当,使得全机增升效果不显著,且俯仰力矩变化较小。