容错控制系统故障诊断技术

1、容错控制系统故障诊断技术 第三单元第三单元 容错控制系统故障诊断技术容错控制系统故障诊断技术 容错控制系统故障诊断技术 容错控制系统故障诊断容错控制系统故障诊断 容错控制系统故障诊断技术 表 决 器 接口单元 旁路计算 机系统 飞行参数 传感器 接口单元 主计算 机系统 (2) 2/3 操 纵 杆 位置传感器 位置传感器 位置传感器 飞行参数 传感器 舵机 舵机 舵机 主计算机系统 度故障，切除 舵面 舵机位置传感器 容错控制系统故障诊断技术 表 决 器 接口单元 旁路计算 机系统 飞行参数 传感器 接口单元 主计算 机系统 （） 2/3 操 纵 杆 位置传感器 位置传感器 位置传感器 飞行参

2、数 传感器 舵机 舵机 舵机 执行机构故障 舵面 舵机位置传感器 容错控制系统故障诊断技术 容错控制系统特点：容错控制系统特点： 软软硬硬综综合合 资资源源冗冗余余 故故障障时时序序性性 故故障障重重构构 动动态态控控 制制性性能能 1 t w t 容容错错控控制制系系统统特特点点 Version 1 H1 容错控制系统故障诊断技术 故障检测与诊断故障检测与诊断 故障检测（故障检测（Fault Detection, FD)：Use available measurement (input/output) to detect any possible fault in the system 故障

3、诊断故障诊断( (Fault Diagnosis): :Use the available information (input/output) to find out (estimate) the location and the size of the fault. 容错控制系统故障诊断技术 容错控制系统的故障诊断方法容错控制系统的故障诊断方法 l故障观测器法故障观测器法 l系统辨识法系统辨识法 l解析余度法解析余度法 容错控制系统故障诊断技术 容错控制系统的故障诊断方法容错控制系统的故障诊断方法 u三余度以上通道间三余度以上通道间比较监控比较监控 u两通道两通道: 基于传感器信号处理基于

4、传感器信号处理(频谱分析、小波分析、多传感频谱分析、小波分析、多传感 器信息融合等器信息融合等) 基于状态估计模型：故障检测滤波器方法、未知输基于状态估计模型：故障检测滤波器方法、未知输 入观测器和卡尔曼滤波器等。入观测器和卡尔曼滤波器等。 基于人工智能方法：专家系统、神经网络等基于人工智能方法：专家系统、神经网络等 u故障阈值故障阈值 u系统重构系统重构 容错控制系统故障诊断技术 基于模型的故障诊断基于模型的故障诊断 （1）获得可用信息：输入、输出、工作）获得可用信息：输入、输出、工作 变量变量 故障观测器和模型辨识器故障观测器和模型辨识器 （2）运用信息找出故障：）运用信息找出故障： 故障

5、阈值故障阈值 （3）如果故障发生，产生报警或故障切）如果故障发生，产生报警或故障切 换，换， 故障重构故障重构 ；如果正常，转向步；如果正常，转向步 骤（骤（1） 容错控制系统故障诊断技术 故障检故障检 测算法测算法 u(t), y(t), 系统参数系统参数 故障报警故障报警 故障故障 机理机理 u(t), y(t), 系统参数系统参数 故障定位故障定位 容错控制系统故障诊断技术 基于模型的故障诊断 (t)u (t)X (t)Y 执行机构 系统线性方程 传感器 uXXBA XYC 控制器 t)e( D (t) X (t) X (t) Y B t d C 观测器 A 故障观测器 故障观测器稳定

6、误差依故障不同具有方向性 Failure Failure Failure Failure 容错控制系统故障诊断技术 控制系统动态方程：控制系统动态方程： 故障观测器方程：故障观测器方程： 状态误差：状态误差： 输出误差：输出误差： uXXBA XYC XY C (t) (t)DB A YYuXX (t) (t)(t)XXe (t) (t)(t)YYE 容错控制系统故障诊断技术 u第第j个执行结构故障：个执行结构故障： 误差方程为：误差方程为： n(t)(t)(t) rjd euu n(t)(t)DCA(t) j b)e(e (t)(t)CeE 0 0 1 0 0 rj 个元素第j e 容错控制

7、系统故障诊断技术 u第第j个传感器故障个传感器故障 误差方程为：误差方程为： n(t)(t)C(t) mj eXY n(t)(t)DCA (t) (t)D(t)B(t) A(t)B(t)A(t) (t)(t) j d)e( YYuXuXXXe n(t)(t)(t) (t)(t) mj eCeYYE 0 0 1 0 0 mj 个元素第j e 容错控制系统故障诊断技术 u系统参数故障：系统参数故障： 误差方程为：误差方程为： nijij (t)a(t)B(t)A(t)euXXX (t)B)(B(t)A)(A(t)uXX (t)C(t) n(t)f(t)DC)(A(t) eE ee 容错控制系统故障

8、诊断技术 故障检测滤波器设计故障检测滤波器设计 n(t)f(t)DC)(A(t)e e 通式通式: j fb j fd ni fe 其中其中:作动器故障作动器故障 传感器故障传感器故障 系统参数变化系统参数变化ij a 要能故障诊断要能故障诊断, f必须可检测必须可检测 容错控制系统故障诊断技术 只有存在故障检测滤波器增益阵只有存在故障检测滤波器增益阵D满足以满足以 下两个条件，则故障向量下两个条件，则故障向量f是可检测的：是可检测的： （1 1）在输出空间保持固定方向。）在输出空间保持固定方向。 （2 2）所有特征值能够任意配置。）所有特征值能够任意配置。 容错控制系统故障诊断技术 稳定性设

9、计稳定性设计 稳定性：当配置的稳定性：当配置的(A-DC)所有特征值都处所有特征值都处 于于S平面的左平面内，平面的左平面内， 的系统是稳定的。当时间的系统是稳定的。当时间 时，上式时，上式 的初始条件瞬态解将趋于零。的初始条件瞬态解将趋于零。(A-DC)的配的配 置应使误差达到稳态值的时间和动态过程置应使误差达到稳态值的时间和动态过程 得到控制。得到控制。 可检测性：完全可测系统是指在任意时间，可检测性：完全可测系统是指在任意时间， 系统状态向量系统状态向量X可由测量向量可由测量向量Y唯一地确定：唯一地确定： n(t)f(t)DC)(A(t)e e t (t)C(t)XY 容错控制系统故障诊

10、断技术 当当Y(t)给定时，使给定时，使X(t)有唯一解的充要条件有唯一解的充要条件 是是rankC=n。为满足可检测条件选。为满足可检测条件选 择择 ，其中，其中 为正的标量常值，为正的标量常值， I为单位阵。为单位阵。 若若m为传感器个数为传感器个数,当当m=n时时, 若若mP0P(Z| H0)；而在决策区域；而在决策区域Z0内，应使内，应使 P1P(Z| H1) 2）个可能性，即事物状态）个可能性，即事物状态 中中H0,H1,HM,每一种状态的概率为是每一种状态的概率为是 P1,P2,PM先验已知的，且先验已知的，且 根据根据Bayes规则，可求出给定观测值规则，可求出给定观测值 H0,

11、H1,HM时为真的条件概率为：时为真的条件概率为： m i i P 1 1 m j jj ii i PHZP PHZP ZHP 1 容错控制系统故障诊断技术 若若Z是连续分布，给定是连续分布，给定Hi为真的先验条件概为真的先验条件概 率密度为率密度为 ，则，则 上式为上式为Hi为真的后验为真的后验 概率。多元假设的逻辑规则是使概率。多元假设的逻辑规则是使Hi为真的为真的 后验概率最大，即：后验概率最大，即： 类似于二元假设决策的错误概率最小的测类似于二元假设决策的错误概率最小的测 试，可以得到相应决策规则试，可以得到相应决策规则 i HZP miijHZPPHZPP jjii , 1, 1,

12、2 , 1 容错控制系统故障诊断技术 例题例题 设设m=3，其中，其中H0无故障状态假设；无故障状态假设； H1 第一故障状态假设；第一故障状态假设； H2第二故障状态假第二故障状态假 设，求决策规则。设，求决策规则。 解：令解：令 则：则： 2 , 1 , 0iPHZPf iii 020121 12 10 21 20 01 02 ffffff orHH orHH orHH orHH orHH orHH 容错控制系统故障诊断技术 即：即： 0220112211 21 20 21 20 01 02 . )( . )()( . )(PPZPPZPZPZ orHH orHH orHH orHH or

13、HH orHH 2 2 H 20 / PP 0 H 1 H 10 / PP 1 故故 障障 判判 断断 区区 域域 容错控制系统故障诊断技术 序贯概率比测试序贯概率比测试 对余差对余差e进行序贯观测，设时刻进行序贯观测，设时刻tk的余差称的余差称 为为ek。假设在以下两种假设。假设在以下两种假设H0,H1间选择间选择. 对第对第k次采样值的对数似然函数为次采样值的对数似然函数为: 对对n次独立采样值的对数似然法为次独立采样值的对数似然法为 )( )( ln)( 0 1 HeP HeP e k k kk n k kk n n n e HeeeP HeeeP 1 021 121 )( ),( ),

14、( ln 容错控制系统故障诊断技术 将将n n与两个边界值与两个边界值A0进行比较，即进行比较，即 判断判断n n是否处于以下范围内是否处于以下范围内: 其中：其中： 决策规则为：决策规则为： 确定为确定为H0 继续测试继续测试 确定为确定为H1 BA n FA M FA M P P B P P A 1 ln, 1 ln A n BA n B n 容错控制系统故障诊断技术 如果如果ek为均值为为均值为a的正态分布：的正态分布： ) 2 ()( 2 a e a e kkk n k kn a e a 1 2 ) 2 ( )( 0 HeP )( 1 HeP 0 a/2 a e 容错控制系统故障诊断技

15、术 例题例题 F-8的的FBW: 解析余度 1 s故障 传感器 1 s 余差产生 故障 N ss te N i i 1 21 )( D H H Tte 1 0 )( 2 s故障 传感器 2 s 直接余度检测 隔离 第一步：通过两个相同传感器的直接余度完成故障检测；第一步：通过两个相同传感器的直接余度完成故障检测； 第二步：在双余度传感器的直接余度基础上增加解析余度，第二步：在双余度传感器的直接余度基础上增加解析余度， 进行故障识别。进行故障识别。 容错控制系统故障诊断技术 系统重构 重新布局（静态） 重新构造（动态） 定义：余度系统故障时，使系统转入定义：余度系统故障时，使系统转入 新工作结构

16、而采用的余度管理措施，新工作结构而采用的余度管理措施， 称为重构。系统重构技术充分利用系称为重构。系统重构技术充分利用系 统的信号和资源，可以使系统获得更统的信号和资源，可以使系统获得更 高的可靠性和生存性。高的可靠性和生存性。 容错控制系统故障诊断技术 实际重构结构实际重构结构 容错控制系统故障诊断技术 重新布局 u 控制 X 混合器 伺服机构 飞机对象 有 I K 无 0 K 有故障？ Y 控制律 传感器 容错控制系统故障诊断技术 重新构造（硬件重构） 1x 1 r 故障指示 横滚角速率传感器 1 故障诊断 倾斜角 横滚 x 俯仰角 角速率 偏航角 综合 2x 2 r 故障指示 横滚角速率

17、传感器 2 故障诊断 容错控制系统故障诊断技术 控制率重构控制率重构 sincoscos sincoscos sin z y x t tttt nnnn x sin 11 容错控制系统故障诊断技术 伪逆法功能重构伪逆法功能重构 某型号验证机故障模式及处理方法 故障模 式 俯仰控制 滚转控制 航向 控制 副翼单 侧故障 平尾1.剩余一边控 制律改变 2.平尾差动 3.机动襟副翼 差动 方向 舵 双副翼 故障 平尾1.平尾差动 2.机动襟副翼 差动 方向 舵 平尾单 侧故障 1.剩余一边控 制律改变 2.副翼同动 3.机动襟副翼 同动 副翼 方向 舵 容错控制系统故障诊断技术 操纵面损坏故障操纵面

18、损坏故障 II KBKB 00 00 1 KBBBBK T II T II 状态变量数目状态变量数目 少于操纵面数少于操纵面数 目目 （mnmn） (t)KBA(t)uXX 00 (t) )(t)(tKBA(t) II uXX 正常： 操纵面损坏 容错控制系统故障诊断技术 F-8F-8飞机数字式电传操纵系统共有飞机数字式电传操纵系统共有1010个状态个状态 变量：变量： ，共有，共有1313个双余个双余 度传感器：加速度传感器（度传感器：加速度传感器（ ）, , 角速率传感器（角速率传感器（ ），姿态角陀），姿态角陀 螺（螺（ ）和大气数据传感器）和大气数据传感器 （ ）。采用四种形式的解析余

19、度，）。采用四种形式的解析余度， 即转动运动学关系、移动运动学关系、移即转动运动学关系、移动运动学关系、移 动动力学关系和高度运动学关系。故障决动动力学关系和高度运动学关系。故障决 策过程的选择还应考虑最小时间和性能鲁策过程的选择还应考虑最小时间和性能鲁 棒性等问题。棒性等问题。 HVVV zyxzyx , zyx aaa, zyx , , HM, 容错控制系统故障诊断技术 决策函数决策函数 n k kk n n n k k kk e HeeeP HeeeP HeP HeP e 1 021 121 0 1 )( ),( ),( ln )( )( ln)( 容错控制系统故障诊断技术 四余度飞控系统四余度飞控系统 容错控制系统故障诊断技术 三余度电动舵机系统三余度电动舵机系统 下下 位位 机机 伺伺 服服 电电 机机 驱驱 动动 器器 L L V V D D T T R R V V D D T T 飞飞 行行 控控 制制 计计 算算 机机 电电 机机 电电 动动 舵舵 机机 执执 行行 机机 构构 控控 制制 器器 执执 行行 机机 构构 指 令 信 号 角 位 移 信 号 输 出 位 移 内 环 回 路 外 环