CN115629547A - 一种面向舵面故障的飞机机载容错控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向舵面故障的飞机机载容错控制方法及系统,本发明属于飞行器控制技术领域。该方法及系统在故障状态下飞机非线性动态模型的基础上,进行故障检测,通过飞机的实际输出值和估计状态输出值进行比较计算判断飞机是否存在故障,该检测方法具有较强的鲁棒性,当系统早期出现微小故障时,可以更精准高效的检测出舵面故障。通过飞机的实际信号和期望状态信号得到飞机的动态输出,再将线性化后的状态变量与动态输出结合,得到飞机的容错输入控制量,该方法在尽可能保证飞行性能的前提下继续飞行任务或实现安全着陆,能够最大限度的降低事故所造成的损失,提高飞机的安全性。
Description
技术领域
本发明属于飞行器控制技术领域,具体涉及一种面向舵面故障的飞机机载容错控制方法及系统。
背景技术
通常飞机通过改变升降舵、副翼以及方向舵等操作面的角度调整机体的受力情况,从而达到控制飞机飞行姿态的目的。因此,飞机操作面尤其是主操作面(即舵面)发生故障会造成严重的安全事故。
但是现有的舵面故障检测方法要么实时性不足,要么准确性和鲁棒性不足,使得飞机舵面故障难以及时准确的判断并进行对应的调整。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供一种面向舵面故障的飞机机载容错控制方法及系统,以解决现有技术中的舵面故障检测方法难以在线实时发现故障,并对此进行调整的问题。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种面向舵面故障的飞机机载容错控制方法,包括以下步骤:
步骤1,建立舵面故障状态下的飞机非线性动态模型;
步骤2,将舵面故障状态下的飞机非线性动态模型分解为两个独立的子系统,每一个子系统建立各自的故障观测器,通过故障观测器判断舵面是否存在故障,若存在故障,执行步骤3,否则持续判断;所述故障观测器通过比较实际状态输出值和估计状态输出值,判断飞机是否存在故障;
步骤3,通过实际状态信号和期望状态信号获得动态输出;基于动态输出和状态变量,通过非线性动态逆模型获得控制输入信号;
步骤4,结合控制输入信号和舵面期望偏转量产生舵面偏转,控制飞机。
本发明的进一步改进在于:
优选的,步骤1中,所述舵面故障状态下的飞机非线性动态模型为:
其中,为设计矩阵,为飞机机体坐标系相对于惯性坐标系的角速度矢
量,为飞机的速度矢量,为飞机相对于风速的速度,为飞机相对于风速的速度的导
数,为机体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵;为惯性坐标系下的风速度矢量;为飞
机质量,f thrust 为飞机推力,为气流坐标系到机体坐标系的转换矩阵,为飞机在惯性
坐标系下的重力加速度;为飞机工作过程中受到的外部干扰,为姿态误差四元数,
为姿态误差四元数的导数,和为机体坐标系相对于惯性坐标系的转换
四元素矢量,为转动惯量,为期望角速度,为期望角速度的导数,为角速度误差,为角速度误差的导数,为飞机自身扰动,为飞机外部扰动和自身扰动的差值,为设计矩阵。
优选的,步骤2,通过故障观测器判断舵面是否存在故障的过程为:
基于飞机的实际状态输出值和估计状态输出值获取残差信号,并进一步计算出残差评价值和非负故障阈值;
比较残差评价值和非负故障阈值,若残差评价值大于非负故障阈值,则判断飞机出现故障。
优选的,所述非负故障阈值通过下式(11)所示的非负故障阈值生成函数计算获得,
所述Luenberger观测器为:
所述非线性滑模观测器为:
其中,其中,与分别为估计后系统与系统的状态变量微分项,与为
估计后系统与系统的状态变量,与分别为系统∑1与系统∑2的非线性干扰项,
为的估计干扰项,为的估计干扰项,为输入信号,,为M维
矩阵,项用于消除中模型不确定性与状态变量受到的干扰和干扰矩阵的影响,与
分别为系统与系统的实际状态输出值,与分别为与系统的估计状态
输出值,是Luenberger观测器的增益,为构造的矩阵;
优选的,所述步骤3包括以下步骤:
一种面向舵面故障的飞机机载容错控制系统,包括:
非线性动态模型模块,用于建立舵面故障状态下的飞机非线性动态模型;
故障检测模块,用于将舵面故障状态下的飞机非线性动态模型分解为两个独立的子系统,每一个子系统建立各自的故障观测器,通过故障观测器判断舵面是否存在故障,若存在故障,执行容错控制模块,否则持续判断;所述故障观测器通过比较实际状态输出值和估计状态输出值,判断飞机是否存在故障;
容错控制模块,用于通过实际状态信号和期望状态信号获得动态输出;基于动态输出和状态变量,通过非线性动态逆模型获得控制输入信号;
控制分配模块,结合控制输入信号和舵面期望偏转量产生舵面偏转,控制飞机。
优选的,所述故障检测模块包括:
残差生成器,用于通过飞机的实际状态输出值和估计状态输出值获取残差信号;
阈值生成器,用于通过阈值生成函数,计算出非负故障阈值;
残差评价器,用于通过残差信号计算获得残差评价值,比较残差评价值与非负故障阈值,判断飞机舵面是否发生故障。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明公开了一种面向舵面故障的飞机机载容错控制方法,该方法在故障状态下飞机非线性动态模型的基础上,进行故障检测,通过飞机的实际输出值和估计状态输出值进行比较计算判断飞机是否存在故障,该检测方法具有较强的鲁棒性,当系统早期出现微小故障时,可以更精准高效的检测出舵面故障。通过飞机的实际信号和期望状态信号得到飞机的动态输出,再将线性化后的状态变量与动态输出结合,得到飞机的容错输入控制量。该方法通过使用非线性动态逆控制,对已知非线性动力学特性的飞机进行直接控制,实现对飞机舵面故障的故障诊断与容错控制。
本发明还公开了一种面向舵面故障的飞机机载容错控制系统,该系统包括非线性动态模型模块、故障检测模块、容错控制模块和控制分配模块,通过这四个模块能够及时精准的检测出舵面故障,并利用飞机上关于舵面的冗余设计进行容错控制,在尽可能保证飞行性能的前提下继续飞行任务或实现安全着陆,能够最大限度的降低事故所造成的损失,提高飞机的安全性。该系统区别于现有的容错飞行控制系统,不仅能够对故障进行观测和估计,还可以对飞机外部干扰信号进行估计,进而进行容错控制,提高飞机位置及姿态控制的容错性和可靠性。
附图说明
图1为本发明的舵面故障的飞机机载容错控制系统组成图;
图2为本发明的舵面故障的飞机机载容错控制系统的故障检测模块图;
图3为本发明的舵面故障的飞机机载容错控制系统的容错控制模块图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中,需要说明的是,若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外,若出现术语“水平”,并不表示要求部件绝对水平,而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平,并不是表示该结构一定要完全水平,而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例之一为公开了一种面向舵面故障的飞机机载容错控制系统,参见图1,该系统包括:
非线性动态模型模块,用于建立舵面故障状态下的飞机非线性动态模型。
故障检测模块,用于将舵面故障状态下的飞机非线性动态模型分解为两个独立的子系统,每一个子系统建立各自的故障观测器,通过故障观测器判断舵面是否存在故障,若存在故障,执行容错控制模块,否则持续判断;所述故障观测器通过比较实际状态输出值和估计状态输出值,判断飞机是否存在故障;
此模块通过飞机其他通信与数据存储模块,获取必要的传感器数据等可观测的状态量或输出量,通过飞机飞行控制模块获取相应的任务数据等期望状态量或输出量。
参见图2,该故障检测模型模块包括残差生成器、阈值生成器和残差评价器。
残差生成器,用于基于飞机的实际状态输出值和估计状态输出值获取残差信号;进一步的,两个子系统分别设计非线性滑模观测器和Luenberger观测器生成各自的残差信号;
阈值生成器,用于通过阈值生成函数,计算出非负故障阈值。
残差评价器,是以实际状态输出值和估计状态输出值构成的二范数残差评价器,计算残差评价值;将残差评价值与非负故障阈值比较,以判断是否过阈,如果残差评价值过阈,则可以判定飞机舵面已经发生故障。
在故障检测模型模块中,故障观测器对舵面故障进行观测和估计,并且故障观测器能对飞机舵面的外部干扰信号继续观测估计。
故障观测器能够观测到的状态包括:飞机沿机体三轴的位置、速度、姿态等信息。
故障观测器能够观测外部干扰信号包括:大风、温升等气象干扰。
容错控制模块:基于故障检测模型模块的检测结果,当执行器中的舵面存在故障时,通过飞机飞行控制模块获取相应的任务数据等期望状态量或输出量。该模块包括控制器K和非线性动态逆模型,将采集或输入获得的实际状态信号与期望状态信号,输入至控制器K得到动态输出,再结合状态变量,通过非线性动态逆模型计算得到控制输入信号。
进一步的,设计非线性动态逆模型,以动态输出与系统状态变量为输入,获取控制输入信号,并将控制输入信号作为飞机非线性动态模型的输入,获得状态变量,将其进行线性化并输入至非线性动态逆模型,完成闭环过程。
控制分配模块:通过飞机其他通信模块获取容错控制模块计算出的控制输入信号,通过飞机飞行控制模块获取相应任务的舵面期望偏转量。将控制输入信号和舵面期望偏转量转换为舵面偏转的上下限,产生实际的舵面偏转。
本发明的是实施例之一为公开了一种面向舵面故障的飞机机载容错控制方法,该控制方法基本过程为:首先构建舵面故障状态下的飞机非线性模型,然后在飞机非线性模型基础上设计故障观测器和非线性动态逆模型,在飞机非线性模型基础上设计的非线性动态逆模型能够实现对飞机的稳定控制,进而实现对飞机的容错控制。故障观测器对舵面故障进行观测和估计,并且故障观测器能对飞机舵面的外部干扰信号继续观测估计,输出估计状态输出值。将期望状态信号与实际状态信号传入至非线性动态逆模型,非线性动态逆模型结合动态逆控制方法以及舵面故障状态下的飞机非线性模型,输出飞机舵面沿机体三轴的位置、姿态角控制量,经控制分配模块完成舵面在故障状态下的偏转,保证飞机平稳安全飞行。
具体的,包括以下步骤:
步骤1:根据牛顿第二定律与欧拉动力学方程建立舵面故障状态下的飞机非线性
模型,为避免欧拉角在描述姿态时存在奇点问题和复杂的三角运算,在地面坐标系下,使用
基于四元数的飞机动力学模型,飞机姿态运动模型、惯性坐标系、机体坐标系和气流坐
标系,建立舵面故障状态下的飞机非线性模型,如下式(1)所示。
其中,为设计矩阵,为飞机机体坐标系相对于惯性坐标系的角速度矢
量,为飞机的速度矢量,为飞机相对于风速的速度,为飞机相对于风速的速度的导
数,为机体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵;为惯性坐标系下的风速度矢量;为飞
机质量,为飞机推力,为气流坐标系到机体坐标系的转换矩阵,为飞机在惯性
坐标系下的重力加速度;为飞机工作过程中受到的外部干扰,为姿态误差四元数,
为姿态误差四元数的导数,和为机体坐标系相对于惯性坐标系的转换
四元素矢量,为转动惯量,为期望角速度,为期望角速度的导数,为角速度误差,为角速度误差的导数,为飞机自身扰动,为飞机外部扰动和自身扰动的差值,为设计矩阵。
进一步的,当状态变量连续可微时,使用微分方程形式(4)表示执行器中舵面故
障状态下的飞机动力学模型,即式(1),为对求导,即在式(1)中添加故障项与干扰项,再
将其转换为微分方程形式,就可以得到式(4)。
其中,,,,分别为状态变量、输入信号及输出值;为状态
变量x的微分,为N维矩阵,为M维矩阵,为P维矩阵;,为舵面故障,为H维矩阵;,为模型的不确定性和状态变量受到的干扰,为V维矩阵;为系统的
非线性干扰;其中,A为输入矩阵,;B为控制矩阵,;C为输出矩阵,;D为故障矩阵,;·为干扰矩阵,;为N×N的输入矩阵,为N×M的控制矩阵、为P×N的输出矩阵、为N×H的故障矩阵,为N×S的
干扰矩阵。
步骤2,判断飞机是否存在故障;
直接对式(4)设计故障观测器无法准确检测出舵面的早期微小故障,因此在式(4)
满足假设的前提下,将舵面故障状态下的飞机动力学模型,即将公式(4)分解为两个独立的
子系统,分别对两个子系统设计独立的故障观测器,以达到检测早期微小故障的目的,分别
为第一系统和第二系统。第一系统包含舵面故障,称为系统;第二系统包含干扰与舵面
故障,称为系统。每一个系统中状态变量的微分,分别如下式(5)和式(6)所示。
其中,与分别为状态变量,即式(4)中的x;与分别为系统∑1与系统∑2状
态变量的微分,与分别为系统与系统的实际状态输出值,与分别为系统∑1
与系统∑2的非线性干扰项。上面的公式中,、、、、、、和分别为两
个系统在公式(4)中对应的值。
其中,与为估计后系统与系统的状态变量微分项,与为估计后系
统与系统的状态变量,为消除项,用于消除系统中模型不确定性与状态变量受
到的干扰和干扰矩阵E 1 的影响,与为与系统的估计状态输出值,和分别为两个系统的实际状态输出值,是Luenberger观测器的增益。为系统的估计
干扰项,为系统的估计干扰项,为构造的矩阵。
如果公式(9)不成立则说明舵面已经出现故障。
其中,T为有限评估时间窗口,,。为残差信号,为残差信号的转置;是Luenberger观测器公式(7)的残差信号,是非线性滑模
观测器公式(8)的残差信号,分别通过各自的残差信号,能够判断系统∑1与系统∑2是否存
在故障,进而能够判断出公式(4)所指代的系统是否存在故障,进而通过公式(10)能够判断
出舵面是否出现故障。
假定舵面服从正态分布,为有限评估时间窗口T内样本x的均值,为其方差,设
定分位数为0.96,可根据公式(11)非负故障阈值生成函数计算出对应的,系统的阈值
为,系统的阈值为,分别用于通过公式(9)判断各自的系统是否出现故障。
步骤3,监测飞机各观测状态值,通过容错控制模块实时修正各观测状态值。
具体的步骤为:首先将微分方程形式的飞机动力学模型,公式(4)简化为公式(13)的形式。
此时对输出值y(t)关于时间t求导,获得公式(14)。
该控制输入信号与舵面期望偏转量对应的控制信号共同传至控制分配模块,由该模块完成闭环检测与控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种面向舵面故障的飞机机载容错控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,建立舵面故障状态下的飞机非线性动态模型;
步骤2,将舵面故障状态下的飞机非线性动态模型分解为两个独立的子系统,每一个子系统建立各自的故障观测器,通过故障观测器判断舵面是否存在故障,若存在故障,执行步骤3,否则持续判断;所述故障观测器通过比较实际状态输出值和估计状态输出值,判断飞机是否存在故障;
步骤3,通过实际状态信号和期望状态信号获得动态输出;基于动态输出和状态变量,通过非线性动态逆模型获得控制输入信号;
步骤4,结合控制输入信号和舵面期望偏转量产生舵面偏转,控制飞机。
2.根据权利要求1所述的一种面向舵面故障的飞机机载容错控制方法,其特征在于,步骤1中,所述舵面故障状态下的飞机非线性动态模型为:
3.根据权利要求1所述的一种面向舵面故障的飞机机载容错控制方法,其特征在于,步骤2,通过故障观测器判断舵面是否存在故障的过程为:
基于飞机的实际状态输出值和估计状态输出值获取残差信号,并进一步计算出残差评价值和非负故障阈值;
比较残差评价值和非负故障阈值,若残差评价值大于非负故障阈值,则判断飞机出现故障。
所述Luenberger观测器为:
所述非线性滑模观测器为:
其中,其中,与分别为估计后系统与系统的状态变量微分项,与为估计
后系统与系统的状态变量,与分别为系统与系统的非线性干扰项,为的估计干扰项,为的估计干扰项,为输入信号,,为M维矩
阵,项用于消除中模型不确定性与状态变量受到的干扰和干扰矩阵的影响,与分
别为系统与系统的实际状态输出值,与分别为与系统的估计状态输
出值,是Luenberger观测器的增益,为构造的矩阵;
9.一种面向舵面故障的飞机机载容错控制系统,其特征在于,包括:
非线性动态模型模块,用于建立舵面故障状态下的飞机非线性动态模型;
故障检测模块,用于将舵面故障状态下的飞机非线性动态模型分解为两个独立的子系统,每一个子系统建立各自的故障观测器,通过故障观测器判断舵面是否存在故障,若存在故障,执行容错控制模块,否则持续判断;所述故障观测器通过比较实际状态输出值和估计状态输出值,判断飞机是否存在故障;
容错控制模块,用于通过实际状态信号和期望状态信号获得动态输出;基于动态输出和状态变量,通过非线性动态逆模型获得控制输入信号;
控制分配模块,结合控制输入信号和舵面期望偏转量产生舵面偏转,控制飞机。
10.根据权利要求9所述的一种面向舵面故障的飞机机载容错控制系统,其特征在于,所述故障检测模块包括:
残差生成器,用于通过飞机的实际状态输出值和估计状态输出值获取残差信号;
阈值生成器,用于通过阈值生成函数,计算出非负故障阈值;
残差评价器,用于通过残差信号计算获得残差评价值,比较残差评价值与非负故障阈值,判断飞机舵面是否发生故障。
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