變結構飛行器的故障診斷與容錯控制

劉勝男 馬永強

(海軍駐沈陽地區航空軍事代表室,遼寧沈陽 110850)

變結構飛行器的故障診斷與容錯控制

劉勝男 馬永強

(海軍駐沈陽地區航空軍事代表室,遼寧沈陽 110850)

近些年來,由于容錯控制系統應用的范圍十分廣泛,無論是學術界還是生產領域對容錯控制系統的研究和應用如火如荼的展開。變結構飛行器出現故障時,要求及時、準確的判斷出故障的位置和大致范圍,因此,設計具有容錯能力的系統對診斷變結構飛行器的故障、提高飛行器的安全性具有十分重要的現實意義。

變結構故障診斷容錯控制一體化設計

目前，控制系統已經管飯的應用至生產生活的各個領域中，包括飛機、航空、冶金、汽車、軍事等多個領域，一旦控制系統出現故障，不僅會給生產生活帶來不便，甚至可能造成重大的生產安全事故，嚴重威脅人民的生命財產安全及社會穩定。因此，及時診斷系統故障，設計出一套具有容錯功能的控制系統十分必要。

1 變結構飛行棋故障診斷研究中注意的問題

針對變結構飛行器容錯系統控制的研究已經取得了一系列的研究成果，主要表現在對變結構飛行器故障診斷研究的現狀、容錯控制系統的研究現狀、一體化設計故障的診斷方法等。然而不能忽略的是，目前的研究仍然存在一定的問題，如對主動容錯理論的相關研究不全面，研究方法和設計思路有待深入挖掘，故障參數不穩定等。因此，在變結構飛行器未來的故障診斷研究中必須考慮如下四個方面。

1.1 多對多可容錯控制研究

在容錯控制律重新調度的主動容錯控制中，容錯控制器集合和故障模型集合之間并不是單一的對應，而是存在多對多的對應關系，因此通過合理的設計，能夠實現具有多對多可容錯控制映射特點的容錯控制器。為了實現多對多可容錯控制，在研究時需要找出容錯控制器對應故障模型的規律，并根據此規律尋找出容錯控制器的最優化在線策略。

1.2 故障診斷相關研究

變結飛行器的容錯控制系統在前期設計期間，已經設置的各項故障的參數標準。一旦飛行器出現故障，各類故障參數能否被跟蹤是現階段研究的重點。此外，當故障參數和前期預設的標準參數出現誤差時，要求故障診斷與自適應動態輸出反饋容錯控制實現一體化控制。

2 故障診斷與控制一體化設計分析

上文分析了變結構飛行器故障診斷及容錯控制系統設計過程中需要重點關注的幾個問題。然而，在實際工業生產過程中，當故障發生時，僅僅被動的容錯控制是遠遠不夠的，能否實現主動容錯控制，在故障尚未發生時成功預知故障，并及時排故障時今后容錯控制系統的發展方向。理論上，通過有效的故障診斷與控制一體化設計，能夠實現主動容錯控制。下文通過故障診斷與自適應H∞狀態反饋、H∞動態輸出反饋、自適應魯棒H∞容錯控制一體化設計三個方面著手，分析變結構飛行器的容錯控制一體化設計。

2.1 故障診斷與自適應H∞狀態反饋容錯控制一體化設計

現階段，要實現故障參數跟蹤十分困難，主要原因是由于在執行器故障診斷與容錯控制一體化設計中，存在一定程度的外界干擾，另外，真實的故障參數與故障參數之間存在難以確定的誤差。因此，在故障診斷與自適應H∞狀態反饋容錯控制一體化設計中，需要開展如下四項工作。

一是要設計出一套能夠將故障觀測器中外界干擾與執行器故障解耦的觀測器，并以此推算出含有執行器故障輸入的方程。二是要設計出能夠自適應故障參數并帶攝影限制的函數，結合步驟一中得出的方程，能夠基本保證誤差維持在一個可控的范圍內，并未接下來的故障診斷提供準確的參數參考。三是要根據前兩個步驟得出的方程和函數參數值，盡可能的估算出故障參數的范圍，設計自適應H∞狀態反饋容錯控制器?，F行矩陣不等式為實現求解次優的容錯控制器設計提供了基礎，通過量化數學特性，降低系統癱瘓的可能性，并保證對干擾和故障的魯棒性。四是將設計出的自適應 H∞狀態反饋容錯控制器應用至變結構飛行器中，驗證設計的控制系統的有效性。

2.2 故障診斷與自適應H∞動態輸出反饋容錯控制一體化設計

研究故障診斷與自適應H∞動態輸出反饋容錯控制的一體化設計需要考慮如下幾個問題。一是改進未知輸入觀測器的設計，在保證將故障觀測器中執行器故障與外界干擾解耦的同時，又保證了任意執行器在發生故障后都能被檢測到，而且所設計的未知輸入觀測器的系數矩陣能夠保證當故障發生后，故障參數估計誤差的動態方程是可控的；二是設計帶射影限制的自適應參數估計器跟蹤故障參數，保證了估計誤差的一致穩定性，給出了估計誤差漸進收斂的條件；三是利用故障計參數，設計了自適應H∞動態輸出反饋容錯控制器，保證執行器發生故障后，系統進行穩定性適應H∞控制的性能指標；接下來給出了一體化設計的故障診斷與自適應H∞動態輸出反饋容錯控制的實施方案，將原來設計控制器所涉及到的非線性矩陣不等式轉化為可解的線性矩陣不等式。

2.3 故障診斷與自適應魯棒H∞容錯控制一體化設計

上文設計的一體化容錯控制器實在估算故障參數的基礎上設計的，由于估算的故障參數的不確定性，因此實際操作過程中出現的故障可能遠遠超出的設計前期計算的范圍，需要控制故障參數的控制器不斷更換。為了提高估計參數設計容錯控制器魯棒性，需要從以下三個方面著手。

一是提出執行器自檢測動態系統輔助診斷系統執行器故障，將執行器自檢測動態系統與原被控系統結合組成增廣系統，然后在此增廣系統上設計未知輸入觀測器，不僅將故障觀測器中外界干擾與執行器故障解耦，而且將各執行器故障相互解耦，同時給出此未知輸入觀測器存在的充分必要條件；二是設計帶射影限制的梯度自適應故障參數估計器，給出故障參數的估計誤差的收斂條件以及估計誤差的上下界；三是利用故障估計參數和估計誤差的上下界，設計自適應魯棒H∞容錯控制器。

3 結語

本文論述的變結構飛行器故障診斷與容錯控制系統的一體化涉及涉及的問題還有很多，如當多種故障同時發生時，如何繼續有效、科學、準確的判斷出故障，如何激勵一體化系統中出現的反饋型號，另外系統運行過程中允許出現時滯和實時性的現象。這些問題需要在變結構飛行器容錯系統應用中不斷吸取經驗，不斷完善。

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