专利名称：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
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。ー种故障诊断与容错控制装置的方法，包括以下步骤步骤I、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參考坐标系，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I)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ー步详细描述。
图I为本发明的基于联合多观测器的故障检测装置原理图。图2为3-D0F hover系统的简单模型。图3为前向电机发生故障时俯仰角曲线。图4为前向电机故障估计曲线。图5为容错控制器下姿态角变化曲线，其中(a)为航向角变化曲线，(b)为俯仰角变化曲线，(C)为横滚角变化曲线。
具体实施例方式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。所述硬件控制模块包括计算机I、功率放大器2、平台机器3、信号编译及转换装置4，所述计算机I通过功率放大器2与平台机器3相连接，该平台机器3同时通过信号编译及转换装置4与计算机I相连接。所述故障诊断模块包括鲁棒多观测器8、残差信号生成模块9和容错控制器10，其中鲁棒多观测器8通过残差信号生成模块9与容错控制器10相连接；所述鲁棒多观测器8包括增广故障估计观测器和Luenberger故障检测观测器。所述平台机器3为外购3-D0F hover平台。更详细的说，本发明的装置由以下几部分组成
①外购3-D0F hover平台(包括四旋翼直升机机身，型号为UPM 2405最高可输出24V线性电压、5A电流的功率放大器，型号为Q8的信号采集板，计算机安装有matlab、LABVIEW、实时控制软件QuaRC等)；②故障诊断装置，包括软件故障注入、故障诊断方法设计，这里故障的注入会导致执行机构电压的损失，构建联合多观测器对系统进行故障诊断；③人机交互界面设计，实现故障预警及监控，这里QuaRC软件可以和MATLAB/Simulink/RTff或LABVIEW连接，将检测的故障状况显示在设计的界面上并保存。将数据采集卡上Encoders 0-2端口用白色线连接于3-D0F平台上(ENCO)-(ENC2)上，Anlog Outputs 0_3端口用黑色线分别连接在四个功率放大器的From D/A上,相应的电源To Load用黑色的线连接到3-D0F平台的(D/A0) -(D/A3)上。计算机有matlab/QuaRC环境，并安装有LABVIEW软件。计算机发出的指令通过信号采集板D/A转换，由功率放大器放大驱动电机运行，通过三个编码器检测机体的姿态运动。采集的姿态信号和信号采集板A/D转换输出给计算机。通过启动计算机，给功率放大器加电来驱动其执行机构；然后设定电机某一特定故障特征信息，包括故障类型、开始结束时间、故障大小，根据设定的故障信息对控制信号进行信号处理，输出到电机，模拟实现执行机构故障；通过多个观测器，其中主观测器即Luenberger观测器来检测出故障发生的通道，而增广观测器分别设在纵向通道和横向通道中来进行故障大小的估计，实现通道之间的相互解耦，将检测出的故障残差信号通过输出反馈控制器反馈到系统中；最后，信号采集卡对信号进行采集，分析系统姿态信号、电压信号并估计出故障信息。所述故障诊断与容错控制装置的方法，包括以下步骤步骤I、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，如图2 ；四旋翼直升机俯仰轴、横滚轴和航向轴方程为
权利要求
1.一种基于联合多观测器的故障诊断与容错控制装置，其特征在于，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。
2.根据权利要求I所述的基于联合多观测器的故障诊断与容错控制装置，其特征在于，所述硬件控制模块包括计算机[I]、功率放大器[2]、平台机器[3]、信号编译及转换装置[4]，所述计算机[I]通过功率放大器[2]与平台机器[3]相连接，该平台机器[3]同时通过信号编译及转换装置[4]与计算机[I]相连接。
3.根据权利要求I所述的基于联合多观测器的故障诊断与容错控制装置，其特征在于，所述故障诊断模块包括鲁棒多观测器[8]、残差信号生成模块[9]和容错控制器[10]，其中鲁棒多观测器[8]通过残差信号生成模块[9]与容错控制器[10]相连接；所述鲁棒多观测器[8]包括增广故障估计观测器和Luenberger故障检测观测器。
4.根据权利要求2所述的基于联合多观测器的故障诊断与容错控制装置，其特征在于，所述平台机器[3]为外购3-DOF hover平台。
5.一种基于权利要求I所述故障诊断与容错控制装置的故障诊断与容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤I、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，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，使系统对故障有容错能力，完成联合多观测器的故障诊断与容错控制。
6.根据权利要求5所述的故障诊断与容错控制方法，其特征在于，步骤I中四旋翼直升机俯仰轴、横滚轴和航向轴方程为
7.根据权利要求5所述的故障诊断与容错控制方法，其特征在于，步骤2在故障为执行器损伤故障的情况下确定系统的动态模型，所述模型为
8.根据权利要求5所述的故障诊断与容错控制方法，其特征在于，步骤3构造多观测器来估计针对俯仰和滚转通道的执行器故障时，所述多观测器包括增广故障观测器和Luenberger故障检测观测器，其中增广故障观测器为
9.根据权利要求5所述的故障诊断与容错控制方法，其特征在于，步骤4中确定基于输出反馈的容错控制率，具体为 步骤41、定义跟踪误差et (t) =d (t) -y (t)，d (t)为期望姿态，弓I入下述状态方程
全文摘要
本发明公布了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，属于航空航天领域。本发明的基于联合多观测器的故障诊断与容错控制装置包括如下模块故障注入模块、故障诊断模块、实时监控模块、硬件控制模块。采用的方法主要解决了基于观测器的传统故障诊断方法条件的局限，操作简单，可实现性强，能够用于四旋翼直升机执行机构故障诊断和状态监视的可行性验证。
文档编号G05B23/02GK102854874SQ20121020098
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者姜斌, 陈复扬, 张新宇, 刘剑慰, 杨新哲 申请人:南京航空航天大学