一种飞机升降舵故障感知与保护一体化驱动方法技术

本发明专利技术涉及一种机升降舵故障感知与保护一体化驱动方法，属于飞机升降舵故障感知与容错控制领域。通过基于故障估计观测器的故障感知机制快速并准确地检验出故障，同时通过基于增广误差系统的自适应故障估计方法准确高效地估计故障信息，通过非线性干扰观测器高效估计外部干扰，最后基于故障估计值和干扰估计值设计自愈合控制器，使用自愈合控制器在无需外部帮助的情况下快速修复故障，保证飞行安全。保证飞行安全。保证飞行安全。

【技术实现步骤摘要】
一种飞机升降舵故障感知与保护一体化驱动方法


[0001]本专利技术属于飞机升降舵故障感知与容错控制领域，特别涉及一种飞机升降舵故障感知与保护一体化驱动方法。

技术介绍

[0002]升降舵系统作为飞机主操纵系统的一个重要部分，控制着飞机的纵向运动，对飞机的飞行安全具有实际意义。因此，对飞机升降舵进行故障诊断对保证飞机飞行安全是非常重要的。
[0003]飞行过程中，升降舵可能会因高速、强对流、高压、低空气密度、高温等因素而发生故障。升降舵故障将严重影响升力和俯仰力矩的特性，从而导致飞机无法达到期望高度甚至坠毁。因此，及时检测出升降舵故障并迅速处理对于保障飞机飞行性能及飞行安全十分重要。通常，基于模型的故障感知方案都依赖于检测观测器，结合观测器生成的残差以及提前设置好的阈值设计故障感知机制。当检测到执行器故障后，需要获得故障阈值大小并且必须消除故障影响，以确保飞行系统的稳定性以及飞行性能。在现有解决方案中，通常对飞行控制系统采用自适应控制、终端滑模技术、神经网络等方式补偿故障。此外，外部干扰的存在会影响飞行器跟踪精度，使飞机无法平稳飞行。当前常见的解决方法是将非线性干扰观测器引入飞行控制系统用于估计未知干扰和建模不确定性，来抵消干扰的影响，使飞行系统对干扰具有鲁棒性。然而上述方法都没有考虑针对升降舵专门设计自适应的故障感知和补偿方案，故障感知与控制驱动分离从而忽略在驱动部分额外引入的外部干扰，对升降舵故障的感知准确度以及容错控制可靠性均有较大提升空间。
[0004]综上，目前的飞机升降舵故障感知与容错控制存在针对飞机升降舵故障感知不准确、感知驱动分离等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种飞机升降舵故障感知与保护一体化驱动方法，用以解决现有技术中存在的针对飞机升降舵故障感知不准确、感知驱动分离等问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种飞机升降舵故障感知与保护一体化驱动方法，其特征在于，包括：S1：设计故障估计观测器;S2：根据故障估计观测器获得升降舵故障观测值，通过升降舵故障观测值计算升降舵故障估计值；S3：将升降舵故障估计值与预先设计的故障阈值进行比对判断，当升降舵故障估计值大于故障阈值即出现故障；S4：设计干扰观测器；S5：通过干扰观测器获得干扰估计值；S6：基于升降舵故障估计值和干扰估计值设计自愈合控制器，当故障发生，使用自
愈合控制器对飞机进行驱动控制，在自愈合控制器作用下，飞行系统输出响应能够准确跟踪给定指令。
[0007]本专利技术进一步的技术方案：S1所述的故障估计观测器：本专利技术进一步的技术方案：S1所述的故障估计观测器：本专利技术进一步的技术方案：S1所述的故障估计观测器：本专利技术进一步的技术方案：S1所述的故障估计观测器：本专利技术进一步的技术方案：S1所述的故障估计观测器：其中，h是飞行高度，是h的一阶微分，是h的二阶微分，是h的三阶微分；是为给定的高度指令信号，是的一阶微分，是的二阶微分，是的三阶微分；是h与的残差，是的残差，的残差，的残差；是的估计值，是的估计值，是的估计值；、、、分别为、、、的一阶微分；是高度子系统的系统参数，、为控制分配系数，是期望的发动机油门开度，是升降舵偏转角，是升降舵故障估计误差，是升降舵故障观测值，是外部干扰，是额外的控制信号，是的一阶微分，和为两个增益矩阵，为飞行高度估计误差，是的一阶微分。
[0008]本专利技术进一步的技术方案：S2所述的计算升降舵故障估计值具体为：其中，为升降舵故障估计值，为控制分配系数的倒数。
[0009]本专利技术进一步的技术方案：S3所述的比对判断具体如下：其中，是预先设计的故障检测阈值。
[0010]本专利技术进一步的技术方案：S4所述的干扰观测器：本专利技术进一步的技术方案：S4所述的干扰观测器：
其中，是观测器的状态向量,是的一阶微分，是观测器增益矩阵，为正定对称矩阵，是速度高度微分矩阵，是控制输入变量，是定义的中间量矩阵，、是速度动态误差参数矩阵，是控制分配系数矩阵，分别为飞行速度、飞行速度的一阶微分、飞行速度的二阶微分；为高度动态误差参数矩阵。
[0011]本专利技术进一步的技术方案：S5所述的干扰估计值具体如下：其中，为干扰估计值。
[0012]本专利技术进一步的技术方案：S6所述的自愈合控制器：其中，是自愈合控制器状态向量，是系统参数矩阵,为跟踪误差向量，是控制分配系数矩阵的逆矩阵，是速度参考指令信号的三阶微分，是高度参考指令信号的三阶微分。
[0013]本专利技术与现有技术相比，有益效果在于：1、本专利技术提供了一种基于故障估计观测器的故障感知机制，通过故障估计观测器获得输出残差并结合预先设计的阈值，能够正确并且快速地检测出故障；2、本专利技术提供了一种基于增广误差系统的自适应故障估计方法，可以快速评估出升降舵故障估计值；通过引入非线性干扰观测器，可以准确快速地估计外部干扰信息；3、本专利技术提供了一种基于补偿容错控制的自愈合控制器，主要涉及一种包括补偿项的容错控制器，将故障感知与控制驱动相结合，可以确保飞行系统的基本稳定性。基于故障和干扰信息，所提出的容错控制方案可以保证升降舵故障情况下飞行系统的高度和速度仍能精确跟踪给定指令，同时飞行系统对外部干扰具有鲁棒性。
附图说明
[0014]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0015]图1是本专利技术中飞机升降舵故障感知与保护一体化驱动方法流程图；图2是基于故障估计观测器的故障感知输出残差曲线；图3是升降舵故障估计值与实际故障值的对比图；图4是飞行速度子系统外部干扰估计值与实际干扰值的对比图；图5是飞行高度子系统外部干扰估计值与实际干扰值的对比图；图6是一般标称控制器下与本专利技术自愈合控制器下飞行系统的输入响应对比图；图7是一般标称控制器下与自愈合控制器下飞行系统的速度响应对比图。
[0016]图8是一般标称控制器下与自愈合控制器下飞行系统的高度响应对比图。
具体实施方式
[0017]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0018]本专利技术实施例提供一种飞机升降舵故障感知与保护一体化驱动方法，能够在飞机飞行中出现升降舵故障时，通过基于故障估计观测器的故障感知机制快速并准确地检验出故障发生时间，同时通过基于增广误差系统的自适应故障估计方法准确高效地估计故障信息，通过非线性干扰观测器高效估计外部干扰，最终使用基于补偿容错控制的自愈合控制器在无需外部帮助的情况下快速修复故障，保证飞行安全。
[0019]如图1所示。本专利技术方法具体包括如下步骤：首先建立无故障的飞行系统模型，无故障的飞行系统可以分成速度和高度两个子系统，描述如下：其中，，V是飞行速度，h是飞行高度，是速度子系统的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞机升降舵故障感知与保护一体化驱动方法，其特征在于，包括：S1：设计故障估计观测器;S2：根据故障估计观测器获得升降舵故障观测值，通过升降舵故障观测值计算升降舵故障估计值；S3：将升降舵故障估计值与预先设计的故障阈值进行比对判断，当升降舵故障估计值大于故障阈值即出现故障；S4：设计干扰观测器；S5：通过干扰观测器获得干扰估计值；S6：基于升降舵故障估计值和干扰估计值设计自愈合控制器，当故障发生，使用自愈合控制器对飞机进行驱动控制，在自愈合控制器作用下，飞行系统输出响应能够准确跟踪给定指令。2.根据权利要求1所述的一种飞机升降舵故障感知与保护一体化驱动方法，其特征在于，S1所述的故障估计观测器：于，S1所述的故障估计观测器：于，S1所述的故障估计观测器：于，S1所述的故障估计观测器：于，S1所述的故障估计观测器：其中，h是飞行高度，是h的一阶微分，是h的二阶微分，是h的三阶微分；是为给定的高度指令信号，是的一阶微分，是的二阶微分，是的三阶微分；是h与的残差，是的残差，的残差，的残差；是的估计值，是的估计值，是的估计值；、、、分别为、、、的一阶微分；是高度子系统的系统参数，、为控制分配系数，是期望的发动机油门开度，是升降舵偏转角，是升降舵故障估计误差，是升降舵故障观测值，是外部干扰，是额外的控制信号，是的一阶微分，和为两个增益矩阵，为飞行高度估计误...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘贞报，周晨泽，赵鹏，党庆庆，赵闻，王潇，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：