劉勝男 馬永強(qiáng)

(海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室,遼寧沈陽(yáng) 110850)

變結(jié)構(gòu)飛行器的故障診斷與容錯(cuò)控制

劉勝男 馬永強(qiáng)

(海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室,遼寧沈陽(yáng) 110850)

近些年來(lái),由于容錯(cuò)控制系統(tǒng)應(yīng)用的范圍十分廣泛,無(wú)論是學(xué)術(shù)界還是生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)θ蒎e(cuò)控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用如火如荼的展開(kāi)。變結(jié)構(gòu)飛行器出現(xiàn)故障時(shí),要求及時(shí)、準(zhǔn)確的判斷出故障的位置和大致范圍,因此,設(shè)計(jì)具有容錯(cuò)能力的系統(tǒng)對(duì)診斷變結(jié)構(gòu)飛行器的故障、提高飛行器的安全性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

變結(jié)構(gòu)故障診斷容錯(cuò)控制一體化設(shè)計(jì)

目前，控制系統(tǒng)已經(jīng)管飯的應(yīng)用至生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域中，包括飛機(jī)、航空、冶金、汽車、軍事等多個(gè)領(lǐng)域，一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不僅會(huì)給生產(chǎn)生活帶來(lái)不便，甚至可能造成重大的生產(chǎn)安全事故，嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全及社會(huì)穩(wěn)定。因此，及時(shí)診斷系統(tǒng)故障，設(shè)計(jì)出一套具有容錯(cuò)功能的控制系統(tǒng)十分必要。

1 變結(jié)構(gòu)飛行棋故障診斷研究中注意的問(wèn)題

針對(duì)變結(jié)構(gòu)飛行器容錯(cuò)系統(tǒng)控制的研究已經(jīng)取得了一系列的研究成果，主要表現(xiàn)在對(duì)變結(jié)構(gòu)飛行器故障診斷研究的現(xiàn)狀、容錯(cuò)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、一體化設(shè)計(jì)故障的診斷方法等。然而不能忽略的是，目前的研究仍然存在一定的問(wèn)題，如對(duì)主動(dòng)容錯(cuò)理論的相關(guān)研究不全面，研究方法和設(shè)計(jì)思路有待深入挖掘，故障參數(shù)不穩(wěn)定等。因此，在變結(jié)構(gòu)飛行器未來(lái)的故障診斷研究中必須考慮如下四個(gè)方面。

1.1 多對(duì)多可容錯(cuò)控制研究

在容錯(cuò)控制律重新調(diào)度的主動(dòng)容錯(cuò)控制中，容錯(cuò)控制器集合和故障模型集合之間并不是單一的對(duì)應(yīng)，而是存在多對(duì)多的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)具有多對(duì)多可容錯(cuò)控制映射特點(diǎn)的容錯(cuò)控制器。為了實(shí)現(xiàn)多對(duì)多可容錯(cuò)控制，在研究時(shí)需要找出容錯(cuò)控制器對(duì)應(yīng)故障模型的規(guī)律，并根據(jù)此規(guī)律尋找出容錯(cuò)控制器的最優(yōu)化在線策略。

1.2 故障診斷相關(guān)研究

變結(jié)飛行器的容錯(cuò)控制系統(tǒng)在前期設(shè)計(jì)期間，已經(jīng)設(shè)置的各項(xiàng)故障的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。一旦飛行器出現(xiàn)故障，各類故障參數(shù)能否被跟蹤是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)。此外，當(dāng)故障參數(shù)和前期預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)出現(xiàn)誤差時(shí)，要求故障診斷與自適應(yīng)動(dòng)態(tài)輸出反饋容錯(cuò)控制實(shí)現(xiàn)一體化控制。

2 故障診斷與控制一體化設(shè)計(jì)分析

上文分析了變結(jié)構(gòu)飛行器故障診斷及容錯(cuò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題。然而，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，僅僅被動(dòng)的容錯(cuò)控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，能否實(shí)現(xiàn)主動(dòng)容錯(cuò)控制，在故障尚未發(fā)生時(shí)成功預(yù)知故障，并及時(shí)排故障時(shí)今后容錯(cuò)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。理論上，通過(guò)有效的故障診斷與控制一體化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)容錯(cuò)控制。下文通過(guò)故障診斷與自適應(yīng)H∞狀態(tài)反饋、H∞動(dòng)態(tài)輸出反饋、自適應(yīng)魯棒H∞容錯(cuò)控制一體化設(shè)計(jì)三個(gè)方面著手，分析變結(jié)構(gòu)飛行器的容錯(cuò)控制一體化設(shè)計(jì)。

2.1 故障診斷與自適應(yīng)H∞狀態(tài)反饋容錯(cuò)控制一體化設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，要實(shí)現(xiàn)故障參數(shù)跟蹤十分困難，主要原因是由于在執(zhí)行器故障診斷與容錯(cuò)控制一體化設(shè)計(jì)中，存在一定程度的外界干擾，另外，真實(shí)的故障參數(shù)與故障參數(shù)之間存在難以確定的誤差。因此，在故障診斷與自適應(yīng)H∞狀態(tài)反饋容錯(cuò)控制一體化設(shè)計(jì)中，需要開(kāi)展如下四項(xiàng)工作。

一是要設(shè)計(jì)出一套能夠?qū)⒐收嫌^測(cè)器中外界干擾與執(zhí)行器故障解耦的觀測(cè)器，并以此推算出含有執(zhí)行器故障輸入的方程。二是要設(shè)計(jì)出能夠自適應(yīng)故障參數(shù)并帶攝影限制的函數(shù)，結(jié)合步驟一中得出的方程，能夠基本保證誤差維持在一個(gè)可控的范圍內(nèi)，并未接下來(lái)的故障診斷提供準(zhǔn)確的參數(shù)參考。三是要根據(jù)前兩個(gè)步驟得出的方程和函數(shù)參數(shù)值，盡可能的估算出故障參數(shù)的范圍，設(shè)計(jì)自適應(yīng)H∞狀態(tài)反饋容錯(cuò)控制器?，F(xiàn)行矩陣不等式為實(shí)現(xiàn)求解次優(yōu)的容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，通過(guò)量化數(shù)學(xué)特性，降低系統(tǒng)癱瘓的可能性，并保證對(duì)干擾和故障的魯棒性。四是將設(shè)計(jì)出的自適應(yīng) H∞狀態(tài)反饋容錯(cuò)控制器應(yīng)用至變結(jié)構(gòu)飛行器中，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的有效性。

2.2 故障診斷與自適應(yīng)H∞動(dòng)態(tài)輸出反饋容錯(cuò)控制一體化設(shè)計(jì)

研究故障診斷與自適應(yīng)H∞動(dòng)態(tài)輸出反饋容錯(cuò)控制的一體化設(shè)計(jì)需要考慮如下幾個(gè)問(wèn)題。一是改進(jìn)未知輸入觀測(cè)器的設(shè)計(jì)，在保證將故障觀測(cè)器中執(zhí)行器故障與外界干擾解耦的同時(shí)，又保證了任意執(zhí)行器在發(fā)生故障后都能被檢測(cè)到，而且所設(shè)計(jì)的未知輸入觀測(cè)器的系數(shù)矩陣能夠保證當(dāng)故障發(fā)生后，故障參數(shù)估計(jì)誤差的動(dòng)態(tài)方程是可控的；二是設(shè)計(jì)帶射影限制的自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)器跟蹤故障參數(shù)，保證了估計(jì)誤差的一致穩(wěn)定性，給出了估計(jì)誤差漸進(jìn)收斂的條件；三是利用故障計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)H∞動(dòng)態(tài)輸出反饋容錯(cuò)控制器，保證執(zhí)行器發(fā)生故障后，系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性適應(yīng)H∞控制的性能指標(biāo)；接下來(lái)給出了一體化設(shè)計(jì)的故障診斷與自適應(yīng)H∞動(dòng)態(tài)輸出反饋容錯(cuò)控制的實(shí)施方案，將原來(lái)設(shè)計(jì)控制器所涉及到的非線性矩陣不等式轉(zhuǎn)化為可解的線性矩陣不等式。

2.3 故障診斷與自適應(yīng)魯棒H∞容錯(cuò)控制一體化設(shè)計(jì)

上文設(shè)計(jì)的一體化容錯(cuò)控制器實(shí)在估算故障參數(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，由于估算的故障參數(shù)的不確定性，因此實(shí)際操作過(guò)程中出現(xiàn)的故障可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出的設(shè)計(jì)前期計(jì)算的范圍，需要控制故障參數(shù)的控制器不斷更換。為了提高估計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制器魯棒性，需要從以下三個(gè)方面著手。

一是提出執(zhí)行器自檢測(cè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)輔助診斷系統(tǒng)執(zhí)行器故障，將執(zhí)行器自檢測(cè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)與原被控系統(tǒng)結(jié)合組成增廣系統(tǒng)，然后在此增廣系統(tǒng)上設(shè)計(jì)未知輸入觀測(cè)器，不僅將故障觀測(cè)器中外界干擾與執(zhí)行器故障解耦，而且將各執(zhí)行器故障相互解耦，同時(shí)給出此未知輸入觀測(cè)器存在的充分必要條件；二是設(shè)計(jì)帶射影限制的梯度自適應(yīng)故障參數(shù)估計(jì)器，給出故障參數(shù)的估計(jì)誤差的收斂條件以及估計(jì)誤差的上下界；三是利用故障估計(jì)參數(shù)和估計(jì)誤差的上下界，設(shè)計(jì)自適應(yīng)魯棒H∞容錯(cuò)控制器。

3 結(jié)語(yǔ)

本文論述的變結(jié)構(gòu)飛行器故障診斷與容錯(cuò)控制系統(tǒng)的一體化涉及涉及的問(wèn)題還有很多，如當(dāng)多種故障同時(shí)發(fā)生時(shí)，如何繼續(xù)有效、科學(xué)、準(zhǔn)確的判斷出故障，如何激勵(lì)一體化系統(tǒng)中出現(xiàn)的反饋型號(hào)，另外系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中允許出現(xiàn)時(shí)滯和實(shí)時(shí)性的現(xiàn)象。這些問(wèn)題需要在變結(jié)構(gòu)飛行器容錯(cuò)系統(tǒng)應(yīng)用中不斷吸取經(jīng)驗(yàn)，不斷完善。

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