[发明专利]一种基于联合多观测器的故障诊断与容错控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于直升机容错控制技术领域，特别是一种基于联合多观测器的故障诊断与容错控制装置及方法。 

背景技术

四旋翼直升机姿态控制系统是保证直升机正常运行的重要组成部分。四旋翼直升机通过四个执行器输出三个姿态角信号，属于过驱动系统，能够有效的提高结构负载能力和响应速度。 

系统运行过程中会不可避免的收到外界扰动或发生故障等，故障是指系统至少一个特性或参数出现较大的偏差，超出了可接受的范围。此时系统的性能明显低于其正常水平，所以已难完成其预期的功能。故障的分类可从不同的方面进行，从故障发生的部位来看，可分为仪表故障、执行器故障和元件故障；根据故障性质，可分为突变故障和缓变故障；从建模角度可分为乘性故障和加性故障。 

通常执行器故障包括三种运行状况：正常工作，此时不考虑故障；执行器由于部件老化、外界干扰等原因而部分失效；以及执行器完全失效。在实际应用中，如果执行器出现卡死或完全失效状况，则对应的通道力矩差一定不为0，则会出现掉高或航向角偏移状况。 

为了保障飞行系统长久、安全的运行，系统需要对外界大扰动或发生执行器故障等具有应急处理能力。所以对系统进行故障的检测、评估是十分必要的。应用故障检测与隔离技术(FDI)是提高系统可靠性的有效途径，当系统中某些信号或部件出现故障时能有效估计出故障的位置和大小并发出警报。 

目前飞行控制系统普遍采用基于硬件冗余的方法来提高可靠性，但同时也会增加成本、直升机重量和系统复杂性。硬件故障注入要求完整的故障注入系统，要求高、操作复杂、代价高昂；而基于解析冗余的故障诊断利用先进的控制理论估计出故障发生的位置、大小和系统状态向量，有效抑制故障效果，监控系统正常运行，但是现有技术中尚无相关描述。 

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于联合多观测器的故障诊断与容错控制装置及方法。 

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于联合多观测器的故障诊断与容错控制装置，包括硬件控制模块、故障注入模块、数据采集模块、故障诊断模块和实时监控模块，其中故障注入模块与硬件控制模块相连接，将需要模拟的故障信息传输给硬件控制模块，并通过硬件控制模块表现出来，硬件控制模块通过数据采集模块与故障诊断模块相连接，将测得的角度信息通过采集模块传输给故障诊断模块，所述故障诊断模块还直接与硬件控制模块相连接，将检测到的故障信号传输给硬件控制模块，该故障诊断模块还与实时监控模块相连接，将检测的故障状态显示出来。 

一种故障诊断与容错控制装置的方法，包括以下步骤: 

步骤1、在平衡点位置确定四旋翼直升机俯仰轴、横滚轴和航向轴，所述平衡点位置为俯仰角、横滚角和航向角都为0°时平台所处的位置，在平衡位置根据右手定则建立参考坐标系，定义中心点为坐标原点，从原点出发指向左向电机方向为y轴即俯仰轴，从原点出发指向前向电机方向为x轴即横滚轴，则从原点出发垂直向上方向为z轴即航向轴；俯仰角为俯仰轴与水平面之间的夹角，滚转角为滚转轴与水平面之间的夹角，航向角为横滚轴在水平面上的投影与初始横滚轴之间的夹角； 

步骤2、在执行器损伤故障的情况下确定系统的动态模型； 

步骤3、在步骤2确定系统动态模型的基础上构造多观测器来检测和估计针对俯仰和滚转通道的执行器故障； 

步骤4、通过步骤3估计出的执行器故障确定基于输出反馈的容错控制律，使系统对故障有一定的容错能力，完成联合多观测器的故障诊断与容错控制。 

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）采用软件故障注入法，不破坏姿态控制系统的完整性，且可以自由选择故障注入的位置和大小，无需额外的硬件设备，对故障注入执行机构不造成物理破坏；2）联合多观测器法可对时变故障进行估计，且不需要考虑控制阵列不满秩的条件，拓宽了故障估计的应用范围，避免了执行机构耦合严重的问题，提高故障检测效率；3）输出反馈控制器有效避免了模拟状态量带来的误差，在保证系统性能的同时，提高了系统的控制精度，使得系统对故障具有较强的容错能力；4）在人机交互界面中实时反映故障注入状况、当前执行机构工作状态及姿态变化，实现故障预警及实时监测；5）本发 明用来验证姿态控制系统的可靠性和故障处理能力，操作方便、成本低、性价比高、可实现性强；6）本发明可以用于直升机姿态控制系统半物理仿真试验阶段的执行机构故障分析和系统可靠性分析。 

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

附图说明

图1为本发明的基于联合多观测器的故障检测装置原理图。