容错控制系统故障诊断技术课件.ppt

1、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容错控制系统故障诊断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 wt容容

2、错错控控制制系系统统特特点点 Version 1 H1 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.容错控制系统的故障诊断方法容错控

3、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系统重构系统重构基于模型的故障诊断基于模

4、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）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(

5、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误差依故障不同具有方向性FailureFailureFailureFailure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：uXXBAXYCXYC(t)(t)DBAYYuXX(t)(t)(t)XXe(t)(t)(t)YYEu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)rjdeuun(t)(t)DCA(t)jb)e(e(t)(t)CeE 00100rj个元素第jeu第第j个传感器故障个传感器故障误差方程为：误差方

6、程为：n(t)(t)C(t)mjeXYn(t)(t)DCA(t)(t)D(t)B(t)A(t)B(t)A(t)(t)(t)jd)e(YYuXuXXXen(t)(t)(t)(t)(t)mjeCeYYE 00100mj个元素第jeu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)eEee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)ee 通式通式:jfbjfdnife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

7、变化ija要能故障诊断要能故障诊断,f必须可检测必须可检测 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。稳定性设计稳定性设计 稳定性：稳定性：当配置的当配置的(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

8、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。可检测性可检测性：完全可测系统是指在任意时间，：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)ee t(t)C(t)XY 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Z

9、0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,H1,HM时为真的条件概率为：时为真的条件概率为：miiP11mjjjiiiPHZPPHZPZHP1 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

10、，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 iHZPmiijHZPPHZPPjjii,1,1,2,1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：解：令令 则：则：2,1,0iPHZPfiii020121121021200102fffffforHHorHHorHHorHHorHHorHH即：即：0220112211212021200102.)(.)()(.)(PPZPPZPZPZor

11、HHorHHorHHorHHorHHorHH 2 2H 20/PP 0H 1H 10/PP 1故故障障判判断断区区域域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)(01HePHePekkkknkkknnneHeeePHeeeP1021121)(),(),(ln 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

12、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H1BAnFAMFAMPPBPPA1ln,1lnAnBAnBn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()(2aeaekkknkknaea12)2()(0HeP )(1HeP 0 a/2 a e例题例题 F-8的的FBW:解析余度 1s故障 传感器1s 余差产生 故障 NssteNii121)(DHHTte10)(2s故障 传感器2s 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

13、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。系统重构重新布局（静态）重新构造（动态）定义：定义：余度系统故障时，使系统转入余度系统故障时，使系统转入新工作结构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。实际重构结构实际重构结构重新布局 u 控制 X 混合器 伺服机构 飞机对象 有 IK 无 0K 有故障？Y 控制律 传感器重新构造（硬

14、件重构）1x 1r 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 2r 故障指示 横滚角速率传感器 2 故障诊断控制率重构控制率重构sincoscossincoscossinzyx tttttnnnnxsin11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 双平尾故障1.副翼同

15、动2.机动襟副翼同动 副翼 方向舵操纵面损坏故障操纵面损坏故障IIKBKB00001KBBBBKTIITII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)uXX00(t)(t)(tKBA(t)IIuXX正常：操纵面损坏 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度，）。采用四种形式的解析余度，即转动运

16、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。HVVVzyxzyx,zyxaaa,zyx,HM,决策函数决策函数nkkknnnkkkkeHeeePHeeePHePHePe102112101)(),(),(ln)()(ln)(四余度飞控系统四余度飞控系统三余度电动舵机系统三余度电动舵机系统下位机下位机伺服伺服电机电机驱动器驱动器LVDTLVDTRVDTRVDT飞行控制飞行控制计算机计算机电机电机电动舵机电动舵机执

17、行机构控制器执行机构控制器执行机构执行机构指令信号角位移信号输出位移内环回路外环回路数字信号模拟信号机械连接系统余度配置及管理方案系统余度配置及管理方案 下位机下位机伺服电机伺服电机控制器控制器LVDTLVDTLVDTLVDTLVDTLVDTRVDTRVDTRVDTRVDTRVDTRVDT指令指令信号信号线圈线圈线圈线圈线圈线圈电机电机电动舵机电动舵机执行机构控制器执行机构控制器V/M2#V/M3#V/M4#V/M1#执行机构执行机构1.1.硬线连接方式硬线连接方式 多余度传感器信号通过硬件送到每台计算机，多余度传感器信号通过硬件送到每台计算机，通道间信息交联要通过模拟口实现。通道间信息交联要通过模拟口实现。2.2.多总线方式多总线方式 每个通道通过串行总线（如每个通道通过串行总线（如1553B1553B总线）与总线）与本通道传感器和控制器进行通讯。各个通本通道传感器和控制器进行通讯。各个通道计算机之间也使用总线交换信息。道计算机之间也使用总线交换信息。3.3.交叉通道数据链（交叉通道数据链（CCDLCCDL）在目前技术条件下，交叉通道据链的信息传在目前技术条件下，交叉通道据链的信息传输方式具有最佳性能，被广泛采用。输方式具有最佳性能，被广泛采用。EHA容错配置容错配置典型典型EHAEHA容错结构容错结构