CN113128035A - 民用飞机飞控传感器信号重构容错控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种民用飞机飞控传感器信号重构和容错控制方法,针对非线性飞行控制系统选择容积点并计算一步预估,通过故障诊断、隔离与估计后,根据协方差矩阵的估计对系统状态的预估进行校正后根据故障诊断的结果进行信号重构或状态更新。本发明能够实现控制指令的有效跟踪,不受传感器故障和外界干扰的影响;并且与现有技术相比,所述的容错控制系统调参更为简便、精度也更高,显著减少了在参数整定时所需要的工作量,并提高了在系统受扰时的重构精度和控制鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种飞行控制领域的技术,具体是一种民用飞机飞控传感器信号重构容错控制方法。
背景技术
为了维护和保障飞行的安全,针对典型传感器的故障对飞控系统做容错设计是非常有必要的。在这方面常见的容错设计包括两类,硬件冗余和解析冗余。硬件冗余是指通过搭载多套的传感器,以实现当某一传感器故障时,其余传感器仍能有效提供准确的测量值。但是,硬件冗余会带来高昂的硬件成本、设计成本和维护成本。
信号重构,即通过飞机各参量间的运动学和动力学的解析关系构建相应的方程,可以在个别传感器故障的情况下利用其他参量的传感器读数计算缺失的信号。目前常用的信号重构的算法主要有:解析法、滤波器法、观测器法和神经网络法。其中解析法易于实现但精度较低,观测器法对噪声较敏感,神经网络法精度高但难以工程实现。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足,提出一种民用飞机飞控传感器信号重构和容错控制方法,针对民机飞控传感器故障,通过基于三步容积卡尔曼滤波(Three-stepCubature Kalman Filter,TSCKF)和非线性干扰观测器(Nonlinear DisturbanceObserver,NDO)的信号重构,采用重构信号代替故障传感器的测量信号。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明涉及一种民用飞机飞控传感器信号重构容错控制方法,针对非线性系统选择容积点并计算一步预估,通过故障诊断、隔离与估计后,根据协方差矩阵的估计对系统状态的预估进行校正后根据故障诊断的结果进行信号重构或状态更新。
所述的非线性系统为:其中:x为系统状态,y为系统输出,u0为系统输入,w与v分步为系统的过程中噪声与测量噪声,F0与H0为系统的已知非线性函数,H为传感器故障分步矩阵,fs为传感器故障,下标k表示第k时刻,F0(xk,u0,k)=F(xk)+G(xk)u0,k+Gd(xk)dk,dk为系统外界干扰。
所述的容积点:其中:Pxx,k-1为系统状态x在k-1时刻的协方差矩阵,Sk-1为Pxx,k-1的Cholecky分解矩阵。为系统状态x在k-1时刻的估计值,ξi为矩阵的第i列,In为n阶单位矩阵,最终Xi,k-1即为系统状态x在k-1时刻的容积点矩阵。
所述的一步预估是指:Xi,k|k-1=F0(Xi,k-1,u0,k-1), 其中:Xi,k|k-1为容积点的一步传播,与Pxx,k|k-1分别为系统状态与其协方差矩阵的一步预估结果,Qk为过程噪声wk-1的协方差矩阵,下标i表示取矩阵的第i列;然后对系统输出与其协方差矩阵进行如下估计: 其中:Sk|k-1为Pxx,k|k-1的Cholesky分解结果,为更新后的容积点矩阵,Yi,k|k-1为容积点的输出,为对系统输出的一步估计,Pyy,k|k-1为y的协方差矩阵,Pxy,k|k-1为y与x之间的协方差矩阵,Rk为观测噪声vk的协方差矩阵。
所述的故障诊断是指:计算新息其中:对角矩阵当那么否则其中为的第i个元素,为对角矩阵的第i个对角元素;Thi为设定的阈值,用以判断为否存在传感器故障;作为传感器的故障诊断矩阵,当为零矩阵,则意味着不存在传感器故障,因此不需要故障隔离也不需要信号重构并直接进行校正;当不等于零矩阵,这便意味着在某路通道中存在传感器故障,则有必要进行故障隔离和信号重构。
所述的隔离与估计是指:根据传感器故障的分布矩阵Hk,即将传感器的故障诊断矩阵中所有的全零列去除后得到的列满秩矩阵进行估计: 其中:Nk是从新息到故障值估计的增益矩阵,即为对传感器故障的估计值,Pf,k是传感器故障的协方差矩阵。
所述的校正是指:对协方差矩阵的估计计算卡尔曼增益对系统状态的预估进行校正,然后根据故障诊断的结果进行信号重构或状态更新,具体为:当故障检测中没有检测到传感器故障时直接进行状态更新,否则通过三步卡尔曼滤波的状态估计算法对角速率信号进行重构。
所述的信号重构或状态更新是指:针对非线性系统选择容积点并计算一步预估,故障诊断、隔离与估计后,根据协方差矩阵的估计对系统状态的预估进行校正后根据故障诊断的结果进行信号重构或状态更新,即:①状态更新: 或②信号重构:
技术效果
本发明整体解决了现有民用飞机飞控系统关键传感器故障的信号重构的精度不足以及调参繁琐的问题,通过设计多步容积Kalman滤波,减少了待定参数,简化了调参过程;通过加入干扰观测器,增强了在系统受扰时信号重构的精度。
附图说明
图1为本发明TSCKF流程图;
图2为本发明信号重构系统结构图;
图3为有干扰时针对角速率传感器故障的信号重构系统结构图;
图4为有干扰时飞机角速率信号重构的实施例仿真结果;
图5为本发明容错控制系统结构图;
图6为有干扰时针对角速率传感器故障的容错控制系统结构图;
图7为有干扰时飞机角速率容错控制的实施例仿真结果。
具体实施方式
实施例1
如图2和图3所示,为本实施例涉及的一种实现上述方案的重构系统,包括:信号重构模块和测量模块,其中:测量模块作为信号源,采集工况信息并输出至信号重构模块,由NDO与TSCKF组成的信号重构模块以正常信号为信号源,进行TSCKF和NDO处理得到用以替代错误信号的重构信号。
所述的工况信息包括但不限于:滚转角速率信息、俯仰角速率信息、偏航角速率信息,滚转角信息、俯仰角信息、偏航角信息、迎角信息、侧滑角信息、空速信息、副翼、舵偏位置信息、升降舵舵偏位置信息和方向舵舵偏位置信息。
所述的控制模块,其控制律为动态逆(NDI,Nonlinear Dynamic Inversion),具体为: 其中:uc为所述控制指令,为角速率的重构值,F1、G1是根据一般飞机的刚体动力学方程得到的非线性函数,为期望的角速率变化率,满足: ωc为角速率指令,kp1,ki1与kd1即为角速率回路中PID控制器中的比例、积分、微分的控制增益。
所述的测量模块中至少有一种传感器发生故障,发生故障传感器的测量结果称为错误信号,未发生故障的传感器的测量信号称为正常信号。
所述的多种传感器中,当滚转角速率、俯仰角速率或偏航角速率的传感器发生了偏置故障,并有测量噪声,其他传感器未发生故障时,角速率回路受到外界扰动,则角速率回路的方程为:其中:w为过程噪声,v为测量噪声,w与v均为高斯白噪声,ω为角速率矢量,fsω为角速率传感器的故障值矢量,H为故障的分布矩阵,ωm为角速率的传感器读数。dω为外界干扰,F1、G1、Gd是根据一般飞机的刚体动力学方程得到的非线性函数。
优选地,dk为常数,且NDO为针对常值干扰的干扰观测器,具体为:
本实施例中,重构系统的应用对象是一般固定翼式民用飞机,其模型满足飞机刚体动力学方程,其参数包括:滚转角速率p、俯仰角速率q、偏航角速率r;飞机质量m;重力加速度g;飞机的转动惯量Ixx,Iyy,Izz,Ixz;飞机发动机推力T;飞机所受的阻力、侧向力、升力D,Y,Lf;飞机的滚转、俯仰、偏航力矩L,M,N,其中,气动力矩的计算方程为: 其中:Rwb为气流坐标系到机体坐标系的转换矩阵,为来流动压,S为机翼面积,b为翼展长度,为平均气动弦长;为飞机气动中心到飞机质心的矢量,xcg与xcp分别为飞机的质心与气动中心在机体坐标系下的x坐标;CL,CM,CN为气动力矩系数, 其中:CL0,CM0与CN0为气动力矩系数中的常数项;CLβ,CMα与CNβ为气动力矩系数中的气流角相关项;CLp,CNp,CMq,CLr与CNr为气动力矩系数对角速率的导数;与为气动力矩系数对舵偏的导数;δa,δe与δr分别为副翼、升降舵、方向舵的舵偏;记:ω=[p q r]T,u=[δa δe δr]T, 其中:非线性函数F1(ω),G1(ω),的具体描述如下:
本实施例针对民机飞控传感器信号重构系统在有干扰情况下的仿真实施例,选用Cessna172飞机角速率回路,飞机模型的基本参数包括:m=680kg,S=16.16m2,b=11m,xcg=-1.04m,xcp=-1.09m,Ixx=1289.3kg m2,Iyy=1830.6kg m2,Izz=2675.1kgm2,Ixz≈0kg m2;其运动满足其中:dω为外界干扰,角速率回路的工作点选取为:巡航高度500m,空速50m/s;角速率传感器的故障为:过程噪声和测量噪声为:所受干扰为:dp=dq=dr=0.01rad/s。
本实施例中TSCKF参数设置为:Pxx,0=10-2·I3,Th1=Th2=Th3=5×10-5,TSCKF不需要对容积变换进行参数整定,这一点与比现有技术相比,简化了参数整定过程;NDO参数设置为:Nd=diag(-2,-1.5,-1)。
如图4所示,当传感器读数发生突变时,重构信号仍能与真实值保持基本一致,并且重要的是,即使存在干扰,重构误差依然接近于0,这与现有技术相比,体现了更高的重构计算精度。
实施例2
如图5和图6所示,为本实施例涉及的一种实现上述方案的控制系统,本实施例与实施例1相比,进一步包括:控制模块和执行模块,其中:控制模块采用正常信号和重构信号为信号源,经计算处理后生成控制指令信号并输送给执行模块;执行模块通过执行控制指令信号,改变所述的控制对象的运动状态。
本实施例的控制对象与实施例1相同。
本实施例针对民机飞控系统传感器信号重构系统在有干扰情况下的仿真实施例,选用Cessna172飞机角速率回路,其运动满足其中:dω为外界干扰,角速率回路的工作点选取为:巡航高度500m,空速50m/s;角速率传感器的故障为:过程噪声和测量噪声为:所受干扰为:dp=dq=dr=0.01rad/s。
经过在MATLAB/Simulink平台上仿真实验,以上述实施例给出的参数运行上述信号重构和容错控制系统,得到的实验数据图像如图4和图7所示。如图7所示,当传感器发生故障,且系统受到外界干扰时,该容错控制系统能够实现控制指令的有效跟踪,不受传感器故障和外界干扰的影响;并且与现有技术相比,所述的容错控制系统调参更为简便、精度也更高。
综上,本发明显著减少了在参数整定时所需要的工作量,并提高了在系统受扰时的重构精度和控制鲁棒性。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整,本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (8)
1.一种民用飞机飞控传感器信号重构容错控制方法,其特征在于,针对非线性系统选择容积点并计算一步预估,通过故障诊断、隔离与估计后,根据协方差矩阵的估计对系统状态的预估进行校正后根据故障诊断的结果进行信号重构或状态更新;
所述的非线性系统为:其中:x为系统状态,y为系统输出,u0为系统输入,w与v分步为系统的过程中噪声与测量噪声,F0与H0为系统的已知非线性函数,H为传感器故障分步矩阵,fs为传感器故障,下标k表示第k时刻,F0(xk,u0,k)=F(xk)+G(xk)u0,k+Gd(xk)dk,dk为系统外界干扰;
2.根据权利要求1所述的民用飞机飞控传感器信号重构容错控制方法,其特征是,所述的一步预估是指:Xi,k|k-1=F0(Xi,k-1,u0,k-1), 其中:Xi,k|k-1为容积点的一步传播,与Pxx,k|k-1分别为系统状态与其协方差矩阵的一步预估结果,Qk为过程噪声wk-1的协方差矩阵,下标i表示取矩阵的第i列;然后对系统输出与其协方差矩阵进行如下估计: 其中:Sk|k-1为Pxx,k|k-1的Cholesky分解结果,为更新后的容积点矩阵,Yi,k|k-1为容积点的输出,为对系统输出的一步估计,Pyy,k|k-1为y的协方差矩阵,Pxy,k|k-1为y与x之间的协方差矩阵,Rk为观测噪声vk的协方差矩阵。
7.一种实现上述权利要求1~6中任一所述民用飞机飞控传感器信号重构容错控制方法的重构系统,其特征在于,包括:信号重构模块和测量模块,其中:测量模块作为信号源,采集工况信息并输出至信号重构模块,由NDO与TSCKF组成的信号重构模块以正常信号为信号源,进行TSCKF和NDO处理得到用以替代错误信号的重构信号。
8.根据权利要求8所述的重构系统,其特征是,进一步包括:控制模块和执行模块,其中:控制模块采用正常信号和重构信号为信号源,经计算处理后生成控制指令信号并输送给执行模块;执行模块通过执行控制指令信号,改变所述的控制对象的运动状态。
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115016283A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-09-06 | 北京京航计算通讯研究所 | 一种航空器故障修正系统 |
CN115437244A (zh) * | 2022-11-08 | 2022-12-06 | 西北工业大学 | 面向非线性传感器故障的飞机飞行容错控制系统及方法 |
CN115437359A (zh) * | 2022-11-07 | 2022-12-06 | 西北工业大学 | 一种面向传感器故障的飞机容错控制方法、系统及装置 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105716844A (zh) * | 2016-01-30 | 2016-06-29 | 西北工业大学 | 建立机电作动器的卡尔曼滤波模型及故障诊断方法 |
CN107861383A (zh) * | 2017-10-23 | 2018-03-30 | 天津大学 | 基于自适应观测器的卫星故障诊断与容错控制方法 |
CN109709934A (zh) * | 2018-12-11 | 2019-05-03 | 南京航空航天大学 | 一种飞行控制系统故障诊断冗余设计方法 |
CN111024143A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-04-17 | 南京航空航天大学 | 一种高超声速飞行器传感器连锁故障诊断与容错控制方法 |
-
2021
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105716844A (zh) * | 2016-01-30 | 2016-06-29 | 西北工业大学 | 建立机电作动器的卡尔曼滤波模型及故障诊断方法 |
CN107861383A (zh) * | 2017-10-23 | 2018-03-30 | 天津大学 | 基于自适应观测器的卫星故障诊断与容错控制方法 |
CN109709934A (zh) * | 2018-12-11 | 2019-05-03 | 南京航空航天大学 | 一种飞行控制系统故障诊断冗余设计方法 |
CN111024143A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-04-17 | 南京航空航天大学 | 一种高超声速飞行器传感器连锁故障诊断与容错控制方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
范永乐: "基于卡尔曼滤波器的非线性系统故障诊断", 《信息科技辑》 * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115016283A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-09-06 | 北京京航计算通讯研究所 | 一种航空器故障修正系统 |
CN115437359A (zh) * | 2022-11-07 | 2022-12-06 | 西北工业大学 | 一种面向传感器故障的飞机容错控制方法、系统及装置 |
CN115437359B (zh) * | 2022-11-07 | 2023-02-28 | 西北工业大学 | 一种面向传感器故障的飞机容错控制方法、系统及装置 |
CN115437244A (zh) * | 2022-11-08 | 2022-12-06 | 西北工业大学 | 面向非线性传感器故障的飞机飞行容错控制系统及方法 |
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