CN107272653A - 一种飞行控制***故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行控制***的故障诊断方法，属于飞行控制***的故障诊断技术领域。该方法包括以下步骤：步骤1)确定飞行控制***的组成及连接结构；步骤2)确定分布式飞行控制计算机结构及余度配置；步骤3)确定飞行器对象模型；步骤4)根据步骤3)确定的对象模型设计执行机构及机载传感***的模型故障观测器，识别典型故障；步骤5)根据分布式飞行控制计算机结构，在各个分布式单元内配置相应的模型故障观测器；步骤6)根据硬件余度和模型故障观测器进行飞行控制***的故障诊断；步骤7)测试***的故障诊断效果并优化***结构。本方法可以实现对飞行控制***中飞行控制计算机、机载传感***以及执行机构的故障诊断。

Description

一种飞行控制***故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种飞行控制***故障诊断方法，属于飞行控制***的故障诊断技术领域。

背景技术

飞行控制***的可靠性和安全性一直是航空飞行器的重要研究方向，飞行控制***包括飞行控制计算机、执行机构以及机载传感器***。其中飞行控制计算机的工作职责是完成无人机的飞行控制任务并对机载设备进行管理和调度，实现资源共享以及数据信息的融合，是空中和地面指挥***的联系枢纽。目前，无人机的任务数量和复杂度增加、传感器多数据融合以及飞行范围和性能边界增大等对飞行控制计算机可靠性和安全性提出了更高的要求。

分布式飞行控制计算机中的各个功能单元独立分开，各部分运行不同的功能程序，将复杂的飞行控制和通信任务进行分离。余度技术可以通过在设计中使用多个相同的功能单元和模块，接受相同的信息，通过余度表决和检测来获取单元的工作状态。

执行机构和传感器故障属于飞行控制计算机外部故障，飞行控制计算机对执行机构的输出控制和传感器信息接收由飞行控制计算机内部对外接口完成，目前使用的传统单一故障观测器有着故障诊断覆盖率不足的问题，执行机构和传感器故障检测无法与飞行控制计算机外部接口故障分离，继而无法对飞行控制计算机的内部故障进行检测和隔离。

发明内容

针对故障诊断覆盖率不足的缺陷，本发明提出了一种飞行控制***故障诊断方法，可以有效进行飞行控制***中的飞行控制计算机、执行机构和传感器的故障诊断，解决了传统单一故障观测器无法诊断计算机内部故障的不足，提高了飞行控制***的故障诊断覆盖率和可靠性。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种飞行控制***故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1)确定飞行控制***的组成结构，包含分布式飞行控制计算机、执行机构、机载传感***以及***连接结构；

步骤2)确定分布式飞行控制计算机结构及余度配置；

步骤3)确定飞行器对象模型；

步骤4)根据步骤3)确定的对象模型设计执行机构及机载传感***的模型故障观测器，识别典型横偏差故障、渐变故障及突变故障；

步骤5)根据分布式飞行控制计算机结构，在各个分布式单元内配置相应的模型故障观测器；

步骤6)根据硬件余度和模型故障观测器进行故障诊断；

步骤7)测试***的故障诊断效果并优化***结构。

步骤2)中所述分布式飞行控制计算机采用分布式结构，包括三余度中央处理单元、双余度串行通信单元、双余度模拟量接口单元和双余度开关量接口单元，三余度中央处理单元、双余度串行通信单元、双余度模拟量接口单元和双余度开关量接口单元分别与内部总线双向连接；其中,三余度中央处理单元进行整个飞行控制***的控制律解算、实现***设备的管理；双余度串行通信单元负责与外部串行设备通信；双余度模拟量接口单元负责采集模拟量信息及输出模拟量控制信息；双余度开关量单元负责采集设备状态及输出设备控制信息。

步骤4)中所述故障观测器，其输入为执行机构控制数据和机载传感数据，其输出为故障诊断结果，包括故障类型及故障估计值。

所述故障观测器，分为执行机构故障观测器和机载传感***故障观测器两类，两类观测器之间不具有耦合特性。

步骤5)中所述各个分布式单元配置相应的模型故障观测器具体内容如下：

三余度中央处理单元和双余度模拟量单元配置执行机构故障观测器；双余度串行通信单元配置机载传感***的故障观测器。

步骤6)中所述根据硬件余度和模型故障观测器进行故障诊断的具体方法如下：三余度中央处理单元配置的执行机构故障观测器，其输入的执行机构控制数据为三余度中央处理单元解算的执行机构控制数据和双余度串行通信单元采集的机载传感数据，其输出为三余度中央处理单元故障信息；

双余度模拟量单元配置的执行机构故障观测器，其输入为执行机构反馈控制数据和双余度串行通信单元采集的机载传感数据，其输出结合三余度中央处理单元故障信息，得出双余度模拟量单元故障信息，故障诊断覆盖面包括模拟量单元A/D功能接口故障、模拟量单元D/A功能接口故障以及执行机构故障；

双余度串行通信单元配置的机载传感***故障观测器，其输入为三余度中央处理单元解算的执行机构控制数据和双余度串行通信单元采集的机载传感数据，其输出为双余度串行通信单元故障信息，并通过双余度串行通信单元采集的传感器信息和故障观测器结果四组信息进行故障诊断，故障诊断覆盖面包括串行通信单元的串行输入/输出功能接口故障及机载传感***故障。

本发明的有益效果如下：

1、采用分布式结构，降低软件程序的复杂度，提高飞行控制计算机的可靠性。

2、提高故障诊断覆盖率，可以有效进行飞行控制***中的飞行控制计算机、执行机构和传感器的故障诊断。

附图说明

图1飞行控制***结构。

图2舵回路-执行机构结构。

图3分布式飞行控制计算机结构。

图4飞行控制***信息流示意图。

图5模型故障观测器结构。

图6(a)是横偏差故障类型示意图；图6(b)是渐变故障类型示意图；图6(c)是突变故障类型示意图。

图7CPU单元故障诊断结构图。

图8串行通信单元外部接口故障诊断结构。

图9模拟量单元外部接口故障诊断结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明公开了一种包含硬件余度和模型观测器解析余度的混合余度***的飞行控制***的故障诊断方法。飞行控制***结构如图1所示，包含分布式飞行控制计算机、传感器***以及执行机构；舵回路-执行机构结构如图2所示，执行机构结构接受来自飞行控制计算机的控制数据，反馈执行机构响应结果。分布式飞行控制计算机结构如图3所示，在分布式飞行控制计算机(DFCC)中，中央处理单元(CPU单元)采用三余度配置，串行通信单元(SIO单元)、模拟量单元(AIO单元)以及开关量单元(DIO单元)采用双余度配置，图3中，串行通信单元与外部设备接口表示为TRX；模拟量单元D/A模块为模拟量输出控制接口，A/D模块为模拟量采集输入接口；开关量单元D/O为开关量输出接口，D/I为开关量输入接口。三余度中央处理单元进行整个飞行控制***的控制律解算、实现***设备的管理；双余度串行通信单元负责与外部串行设备通信；双余度模拟量接口单元负责采集模拟量信息及输出模拟量控制信息；双余度开关量单元负责采集设备状态及输出设备控制信息。模拟量接口单元、开关量接口单元和串行量接口单元为分布式飞行控制计算机的数据采集及输出部分,三个功能单元负责接收传感器数据及采集***设备的状态并上传给中央处理单元,同时也输出由中央处理单元控制律解算结果及逻辑管理数据。

飞行控制***内部信息流示意图如图4所示，飞行控制计算机模拟量D/A模块控制执行机构，A/D模块接收执行机构反馈结果及模拟量传感器数据，串行通信单元接收传感器信息，某些传感器同时发送模拟量数据和串行通信数据，数据解析类型相同，不影响技术方案的实施。

模型故障观测器结构如图5所示，虚线框内的为观测器。典型故障类型如图6所示，分为横偏差、渐变和突变故障。

下面对飞行控制***故障诊断过程实现的设计进行详细说明。

1.模型故障观测器

设飞行控制***的动态方程为

式中，x(t)∈Rⁿ，u(t)∈R^m，y(t)∈R^p分别为***的状态向量、输入向量和输出向量；为状态向量的微分，表示状态向量的变化率；A，B，C为已知的适维矩阵，(A，C)为可观测对。

执行机构和传感器等故障可分为加性故障和乘性故障，本申请以加性故障为例，执行机构故障模型和传感器故障模型如式(2),(3)所示，

式中，f_a(t)为***的执行机构故障，E为执行机构故障参数矩阵，并且E＝B；f_s(t)为***的传感器故障，D为传感器故障反馈的参数矩阵。

执行机构控制故障观测器为

令

传感器通信故障观测器为

令

式中，分别为观测器的状态向量和输出向量；为观测状态向量的微分，表示观测状态向量的变化率；适维矩阵为L为观测器的增益矩阵；为执行机构观测故障；为传感器观测故障；e_x(t)为观测器状态与实际状态的误差；e_y(t)为***观测输出与实际输出的误差；为执行机构观测故障与实际故障的误差；为传感器观测故障与实际故障的误差。

执行机构误差动态方程表示为式(8)，传感器误差动态方程表示为式(9)所示，

式中，为观测器状态与实际状态的误差的变化率。

突变故障和渐变故障的故障估计算法为

式中，为观测故障的微分，表示观测故障的变化率；为实际故障的变化率；为e_y(t)的微分，表示误差的变化率；Γ为故障估计的学习率矩阵；F为故障估计的适维矩阵，为观测故障变化率和实际故障变化率的误差。

2.CPU单元故障诊断

CPU单元故障诊断结构如图7所示，CPU单元配置执行机构故障观测器Ob_a(U，Y)，U和Y分别表示观测器控制输入和传感器反馈信息；图7中U_r为CPU单元解算的控制输出信息；Y_S为串行通信单元输入的传感器信息，Y_SM为串行通信单元传输给CPU单元的传感器信息。

三余度CPU单元输入相同的传感器信号，在主控制单元中进行三余度控制解算和执行机构故障观测器，根据各自解算的控制数据和传感器反馈输入观测器得出故障诊断结果。

3.串行通信单元外部接口故障诊断

串行通信单元采用硬件双余度输入和传感器通信故障观测器组成多余度故障诊断结构，如图8所示，串行通信单元运行传感器通信故障观测器Ob_s(U，Y)，反馈回CPU单元的传感器信号为Y_sM。双余度串行通信单元输入相同的传感器信号Y_s，经过串行接口输入为Y_sA，Y_sB，两者组成主从备份方式，配合使用观测器Ob_s(U，Y)解析余度，在主串行通信单元中形成四余度形式，并依据Y_sA，Y_sB以及Ob_s(U，Y)结果进行串行通信接口的故障诊断判断，如表1所示。

表1串行通信单元外部接口故障诊断

如表1所示，当两组的串行接口输入相同时(1)～(4)，并且两者故障模型观测器输出故障信息时，执行机构处于故障状态；两者故障模型观测器输出信息不相同时，将非故障单元的信息作为Y_sM；当两组的串行接口输入不相同时(5)～(7)，可以判断单元接口故障；情况(8)需要与CPU单元诊断信息比较可得出故障单元位置。

4.模拟量单元外部接口故障诊断

模拟量单元故障诊断结构如图9所示，CPU单元运行执行机构控制故障观测器Ob_a(U，Y)，观测器控制输入为CPU单元解算控制数据U_r。模拟量单元运行执行机构控制故障观测器，观测器控制输入为执行机构反馈控制数据U_b,飞行器传感器状态为Y_sM。模拟量单元使用观测器组合方式诊断模拟量单元内部A/D、D/A功能模块故障和执行机构故障。

表2模拟量单元外部接口故障诊断

如表2所示，依照CPU单元故障观测器和模拟量单元故障观测器结果的不同组成4种判断结果，能够有效覆盖无故障状态和三处故障定位，并且根据故障估计算法来估计故障类型，反馈回主控制单元，进行相应的故障调节。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种飞行控制***故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1) 确定飞行控制***的组成结构，包含分布式飞行控制计算机、执行机构、机载传感***以及***连接结构；

步骤2) 确定分布式飞行控制计算机结构及余度配置；

步骤3) 确定飞行器对象模型；

步骤4) 根据步骤3) 确定的对象模型设计执行机构及机载传感***的模型故障观测器，识别典型横偏差故障、渐变故障及突变故障；

步骤5) 根据分布式飞行控制计算机结构，在各个分布式单元内配置相应的模型故障观测器；

步骤6) 根据硬件余度和模型故障观测器进行故障诊断；

步骤7) 测试***的故障诊断效果并优化***结构。

2.根据权利要求1所述的一种飞行控制***故障诊断方法，其特征在于，步骤2)中所述分布式飞行控制计算机采用分布式结构，包括三余度中央处理单元、双余度串行通信单元、双余度模拟量接口单元和双余度开关量接口单元，三余度中央处理单元、双余度串行通信单元、双余度模拟量接口单元和双余度开关量接口单元分别与内部总线双向连接；其中,所述三余度中央处理单元进行整个飞行控制***的控制律解算、实现***设备的管理；所述双余度串行通信单元负责与外部串行设备通信；所述双余度模拟量接口单元负责采集模拟量信息及输出模拟量控制信息；所述双余度开关量单元负责采集设备状态及输出设备控制信息。

3.根据权利要求1所述的一种飞行控制***故障诊断方法，其特征在于，步骤4）中所述故障观测器，其输入为执行机构控制数据和机载传感数据，其输出为故障诊断结果，包括故障类型及故障估计值。

4.根据权利要求3所述的一种飞行控制***故障诊断方法，其特征在于，所述故障观测器，分为执行机构故障观测器和机载传感***故障观测器两类，两类观测器之间不具有耦合特性。

5.根据权利要求1所述的一种飞行控制***故障诊断方法，其特征在于，步骤5)中所述各个分布式单元配置相应的模型故障观测器具体内容如下：

三余度中央处理单元和双余度模拟量单元配置执行机构故障观测器；双余度串行通信单元配置机载传感***的故障观测器。

6.根据权利要求1所述的一种飞行控制***故障诊断方法，其特征在于，步骤6）中所述根据硬件余度和模型故障观测器进行故障诊断的具体方法如下：三余度中央处理单元配置的执行机构故障观测器，其输入的执行机构控制数据为三余度中央处理单元解算的执行机构控制数据和双余度串行通信单元采集的机载传感数据，其输出为三余度中央处理单元故障信息；

双余度模拟量单元配置的执行机构故障观测器，其输入为执行机构反馈控制数据和双余度串行通信单元采集的机载传感数据，其输出结合三余度中央处理单元故障信息，得出双余度模拟量单元故障信息，故障诊断覆盖面包括模拟量单元A/D功能接口故障、模拟量单元D/A功能接口故障以及执行机构故障；

双余度串行通信单元配置的机载传感***故障观测器，其输入为三余度中央处理单元解算的执行机构控制数据和双余度串行通信单元采集的机载传感数据，其输出为双余度串行通信单元故障信息，并通过双余度串行通信单元采集的传感器信息和故障观测器结果四组信息进行故障诊断，故障诊断覆盖面包括串行通信单元的串行输入/输出功能接口故障及机载传感***故障。