本發(fā)明涉及一種飛行控制系統(tǒng)故障診斷方法，屬于飛行控制系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

飛行控制系統(tǒng)的可靠性和安全性一直是航空飛行器的重要研究方向，飛行控制系統(tǒng)包括飛行控制計算機、執(zhí)行機構(gòu)以及機載傳感器系統(tǒng)。其中飛行控制計算機的工作職責(zé)是完成無人機的飛行控制任務(wù)并對機載設(shè)備進行管理和調(diào)度，實現(xiàn)資源共享以及數(shù)據(jù)信息的融合，是空中和地面指揮系統(tǒng)的聯(lián)系樞紐。目前，無人機的任務(wù)數(shù)量和復(fù)雜度增加、傳感器多數(shù)據(jù)融合以及飛行范圍和性能邊界增大等對飛行控制計算機可靠性和安全性提出了更高的要求。

分布式飛行控制計算機中的各個功能單元獨立分開，各部分運行不同的功能程序，將復(fù)雜的飛行控制和通信任務(wù)進行分離。余度技術(shù)可以通過在設(shè)計中使用多個相同的功能單元和模塊，接受相同的信息，通過余度表決和檢測來獲取單元的工作狀態(tài)。

執(zhí)行機構(gòu)和傳感器故障屬于飛行控制計算機外部故障，飛行控制計算機對執(zhí)行機構(gòu)的輸出控制和傳感器信息接收由飛行控制計算機內(nèi)部對外接口完成，目前使用的傳統(tǒng)單一故障觀測器有著故障診斷覆蓋率不足的問題，執(zhí)行機構(gòu)和傳感器故障檢測無法與飛行控制計算機外部接口故障分離，繼而無法對飛行控制計算機的內(nèi)部故障進行檢測和隔離。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對故障診斷覆蓋率不足的缺陷，本發(fā)明提出了一種飛行控制系統(tǒng)故障診斷方法，可以有效進行飛行控制系統(tǒng)中的飛行控制計算機、執(zhí)行機構(gòu)和傳感器的故障診斷，解決了傳統(tǒng)單一故障觀測器無法診斷計算機內(nèi)部故障的不足，提高了飛行控制系統(tǒng)的故障診斷覆蓋率和可靠性。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

一種飛行控制系統(tǒng)故障診斷方法，包括以下步驟：

步驟1)確定飛行控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，包含分布式飛行控制計算機、執(zhí)行機構(gòu)、機載傳感系統(tǒng)以及系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)；

步驟2)確定分布式飛行控制計算機結(jié)構(gòu)及余度配置；

步驟3)確定飛行器對象模型；

步驟4)根據(jù)步驟3)確定的對象模型設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)及機載傳感系統(tǒng)的模型故障觀測器，識別典型橫偏差故障、漸變故障及突變故障；

步驟5)根據(jù)分布式飛行控制計算機結(jié)構(gòu)，在各個分布式單元內(nèi)配置相應(yīng)的模型故障觀測器；

步驟6)根據(jù)硬件余度和模型故障觀測器進行故障診斷；

步驟7)測試系統(tǒng)的故障診斷效果并優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

步驟2)中所述分布式飛行控制計算機采用分布式結(jié)構(gòu)，包括三余度中央處理單元、雙余度串行通信單元、雙余度模擬量接口單元和雙余度開關(guān)量接口單元，三余度中央處理單元、雙余度串行通信單元、雙余度模擬量接口單元和雙余度開關(guān)量接口單元分別與內(nèi)部總線雙向連接；其中,三余度中央處理單元進行整個飛行控制系統(tǒng)的控制律解算、實現(xiàn)外圍設(shè)備的管理；雙余度串行通信單元負責(zé)與外部串行設(shè)備通信；雙余度模擬量接口單元負責(zé)采集模擬量信息及輸出模擬量控制信息；雙余度開關(guān)量單元負責(zé)采集設(shè)備狀態(tài)及輸出設(shè)備控制信息。

步驟4)中所述故障觀測器，其輸入為執(zhí)行機構(gòu)控制數(shù)據(jù)和機載傳感數(shù)據(jù)，其輸出為故障診斷結(jié)果，包括故障類型及故障估計值。

所述故障觀測器，分為執(zhí)行機構(gòu)故障觀測器和機載傳感系統(tǒng)故障觀測器兩類，兩類觀測器之間不具有耦合特性。

步驟5)中所述各個分布式單元配置相應(yīng)的模型故障觀測器具體內(nèi)容如下：

三余度中央處理單元和雙余度模擬量單元配置執(zhí)行機構(gòu)故障觀測器；雙余度串行通信單元配置機載傳感系統(tǒng)的故障觀測器。

步驟6)中所述根據(jù)硬件余度和模型故障觀測器進行故障診斷的具體方法如下：三余度中央處理單元配置的執(zhí)行機構(gòu)故障觀測器，其輸入的執(zhí)行機構(gòu)控制數(shù)據(jù)為三余度中央處理單元解算的執(zhí)行機構(gòu)控制數(shù)據(jù)和雙余度串行通信單元采集的機載傳感數(shù)據(jù)，其輸出為三余度中央處理單元故障信息；

雙余度模擬量單元配置的執(zhí)行機構(gòu)故障觀測器，其輸入為執(zhí)行機構(gòu)反饋控制數(shù)據(jù)和雙余度串行通信單元采集的機載傳感數(shù)據(jù)，其輸出結(jié)合三余度中央處理單元故障信息，得出雙余度模擬量單元故障信息，故障診斷覆蓋面包括模擬量單元a/d功能接口故障、模擬量單元d/a功能接口故障以及執(zhí)行機構(gòu)故障；

雙余度串行通信單元配置的機載傳感系統(tǒng)故障觀測器，其輸入為三余度中央處理單元解算的執(zhí)行機構(gòu)控制數(shù)據(jù)和雙余度串行通信單元采集的機載傳感數(shù)據(jù)，其輸出為雙余度串行通信單元故障信息，并通過雙余度串行通信單元采集的傳感器信息和故障觀測器結(jié)果四組信息進行故障診斷，故障診斷覆蓋面包括串行通信單元的串行輸入/輸出功能接口故障及機載傳感系統(tǒng)故障。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、采用分布式結(jié)構(gòu)，降低軟件程序的復(fù)雜度，提高飛行控制計算機的可靠性。

2、提高故障診斷覆蓋率，可以有效進行飛行控制系統(tǒng)中的飛行控制計算機、執(zhí)行機構(gòu)和傳感器的故障診斷。

附圖說明

圖1飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2舵回路-執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)。

圖3分布式飛行控制計算機結(jié)構(gòu)。

圖4飛行控制系統(tǒng)信息流示意圖。

圖5模型故障觀測器結(jié)構(gòu)。

圖6(a)是橫偏差故障類型示意圖；圖6(b)是漸變故障類型示意圖；圖6(c)是突變故障類型示意圖。

圖7cpu單元故障診斷結(jié)構(gòu)圖。

圖8串行通信單元外部接口故障診斷結(jié)構(gòu)。

圖9模擬量單元外部接口故障診斷結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步詳細說明。

本發(fā)明公開了一種包含硬件余度和模型觀測器解析余度的混合余度系統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)的故障診斷方法。飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含分布式飛行控制計算機、傳感器系統(tǒng)以及執(zhí)行機構(gòu)；舵回路-執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示，執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)接受來自飛行控制計算機的控制數(shù)據(jù)，反饋執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)結(jié)果。分布式飛行控制計算機結(jié)構(gòu)如圖3所示，在分布式飛行控制計算機(dfcc)中，中央處理單元(cpu單元)采用三余度配置，串行通信單元(sio單元)、模擬量單元(aio單元)以及開關(guān)量單元(dio單元)采用雙余度配置，圖3中，串行通信單元與外部設(shè)備接口表示為trx；模擬量單元d/a模塊為模擬量輸出控制接口，a/d模塊為模擬量采集輸入接口；開關(guān)量單元d/o為開關(guān)量輸出接口，d/i為開關(guān)量輸入接口。三余度中央處理單元進行整個飛行控制系統(tǒng)的控制律解算、實現(xiàn)外圍設(shè)備的管理；雙余度串行通信單元負責(zé)與外部串行設(shè)備通信；雙余度模擬量接口單元負責(zé)采集模擬量信息及輸出模擬量控制信息；雙余度開關(guān)量單元負責(zé)采集設(shè)備狀態(tài)及輸出設(shè)備控制信息。模擬量接口單元、開關(guān)量接口單元和串行量接口單元為分布式飛行控制計算機的數(shù)據(jù)采集及輸出部分,三個功能單元負責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)及采集外圍設(shè)備的狀態(tài)并上傳給中央處理單元,同時也輸出由中央處理單元控制律解算結(jié)果及邏輯管理數(shù)據(jù)。

飛行控制系統(tǒng)內(nèi)部信息流示意圖如圖4所示，飛行控制計算機模擬量d/a模塊控制執(zhí)行機構(gòu)，a/d模塊接收執(zhí)行機構(gòu)反饋結(jié)果及模擬量傳感器數(shù)據(jù)，串行通信單元接收傳感器信息，某些傳感器同時發(fā)送模擬量數(shù)據(jù)和串行通信數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)解析類型相同，不影響技術(shù)方案的實施。

模型故障觀測器結(jié)構(gòu)如圖5所示，虛線框內(nèi)的為觀測器。典型故障類型如圖6所示，分為橫偏差、漸變和突變故障。

下面對飛行控制系統(tǒng)故障診斷過程實現(xiàn)的設(shè)計進行詳細說明。

1.模型故障觀測器

設(shè)飛行控制系統(tǒng)的動態(tài)方程為

式中，x(t)∈rⁿ，u(t)∈r^m，y(t)∈r^p分別為系統(tǒng)的狀態(tài)向量、輸入向量和輸出向量；為狀態(tài)向量的微分，表示狀態(tài)向量的變化率；a，b，c為已知的適維矩陣，(a，c)為可觀測對。

執(zhí)行機構(gòu)和傳感器等故障可分為加性故障和乘性故障，本申請以加性故障為例，執(zhí)行機構(gòu)故障模型和傳感器故障模型如式(2),(3)所示，

式中，fa(t)為系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)故障，e為執(zhí)行機構(gòu)故障參數(shù)矩陣，并且e＝b；fs(t)為系統(tǒng)的傳感器故障，d為傳感器故障反饋的參數(shù)矩陣。

執(zhí)行機構(gòu)控制故障觀測器為

令

傳感器通信故障觀測器為

令

式中，分別為觀測器的狀態(tài)向量和輸出向量；為觀測狀態(tài)向量的微分，表示觀測狀態(tài)向量的變化率；適維矩陣為l為觀測器的增益矩陣；為執(zhí)行機構(gòu)觀測故障；為傳感器觀測故障；ex(t)為觀測器狀態(tài)與實際狀態(tài)的誤差；ey(t)為系統(tǒng)觀測輸出與實際輸出的誤差；為執(zhí)行機構(gòu)觀測故障與實際故障的誤差；為傳感器觀測故障與實際故障的誤差。

執(zhí)行機構(gòu)誤差動態(tài)方程表示為式(8)，傳感器誤差動態(tài)方程表示為式(9)所示，

式中，為觀測器狀態(tài)與實際狀態(tài)的誤差的變化率。

突變故障和漸變故障的故障估計算法為

式中，為觀測故障的微分，表示觀測故障的變化率；為實際故障的變化率；為ey(t)的微分，表示誤差的變化率；γ為故障估計的學(xué)習(xí)率矩陣；f為故障估計的適維矩陣，為觀測故障變化率和實際故障變化率的誤差。

2.cpu單元故障診斷

cpu單元故障診斷結(jié)構(gòu)如圖7所示，cpu單元配置執(zhí)行機構(gòu)故障觀測器ob_a(u，y)，u和y分別表示觀測器控制輸入和傳感器反饋信息；圖7中ur為cpu單元解算的控制輸出信息；ys為串行通信單元輸入的傳感器信息，ysm為串行通信單元傳輸給cpu單元的傳感器信息。

三余度cpu單元輸入相同的傳感器信號，在主控制單元中進行三余度控制解算和執(zhí)行機構(gòu)故障觀測器，根據(jù)各自解算的控制數(shù)據(jù)和傳感器反饋輸入觀測器得出故障診斷結(jié)果。

3.串行通信單元外部接口故障診斷

串行通信單元采用硬件雙余度輸入和傳感器通信故障觀測器組成多余度故障診斷結(jié)構(gòu)，如圖8所示，串行通信單元運行傳感器通信故障觀測器ob_s(u，y)，反饋回cpu單元的傳感器信號為ysm。雙余度串行通信單元輸入相同的傳感器信號ys，經(jīng)過串行接口輸入為ysa，ysb，兩者組成主從備份方式，配合使用觀測器ob_s(u，y)解析余度，在主串行通信單元中形成四余度形式，并依據(jù)ysa，ysb以及ob_s(u，y)結(jié)果進行串行通信接口的故障診斷判斷，如表1所示。

表1串行通信單元外部接口故障診斷

如表1所示，當(dāng)兩組的串行接口輸入相同時(1)～(4)，并且兩者故障模型觀測器輸出故障信息時，執(zhí)行機構(gòu)處于故障狀態(tài)；兩者故障模型觀測器輸出信息不相同時，將非故障單元的信息作為ysm；當(dāng)兩組的串行接口輸入不相同時(5)～(7)，可以判斷單元接口故障；情況(8)需要與cpu單元診斷信息比較可得出故障單元位置。

4.模擬量單元外部接口故障診斷

模擬量單元故障診斷結(jié)構(gòu)如圖9所示，cpu單元運行執(zhí)行機構(gòu)控制故障觀測器ob_a(u，y)，觀測器控制輸入為cpu單元解算控制數(shù)據(jù)ur。模擬量單元運行執(zhí)行機構(gòu)控制故障觀測器，觀測器控制輸入為執(zhí)行機構(gòu)反饋控制數(shù)據(jù)ub,飛行器傳感器狀態(tài)為ysm。模擬量單元使用觀測器組合方式診斷模擬量單元內(nèi)部a/d、d/a功能模塊故障和執(zhí)行機構(gòu)故障。

表2模擬量單元外部接口故障診斷

如表2所示，依照cpu單元故障觀測器和模擬量單元故障觀測器結(jié)果的不同組成4種判斷結(jié)果，能夠有效覆蓋無故障狀態(tài)和三處故障定位，并且根據(jù)故障估計算法來估計故障類型，反饋回主控制單元，進行相應(yīng)的故障調(diào)節(jié)。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。