A fault tolerant single sided matrix converter for flight control actuation systems

We describe a single sided matrix converter (SSMC) designed for safety critical applications like flight control actuation systems. Dynamic simulations of multi-phase SSMC using Matlab Simulink are carried out to evaluate the fault tolerance capabilities. Investigation into different numbers of phases and power converter topologies under single phase open circuit, single switch open circuit, and single switch short circuit has been executed. The simulation results confirm 5-phase SSMC design as a compromise between fault tolerance and converter size/volume. A 5-phase SSMC prototype was built. Experimental results verify the effectiveness of our design.

Observer-based backstepping longitudinal control for carrier-based UAV with actuator faults

The paper presents the longitudinal control for the carrier-based unmanned aerial vehicle (UAV) system with unmeasured states, actuator faults, control input constraints, and external disturbances. By combining output state observer, adaptive fuzzy control, and constraint backstepping technology, a robust fault tolerant control approach is proposed. An output state observer with fuzzy logic systems is developed to estimate unmeasured states, and command filters rather than differentiations of virtual control law are used to solve the computational complexity problem in traditional backstepping. Additionally, a robust term is introduced to offset the fuzzy adaptive estimation error and external disturbance, and an appropriate fault controller structure with matching conditions obtained from fault compensation is proposed. Based on the Lyapunov theory, the designed control program is illustrated to guarantee that all the closed-loop signals of the given system are bounded, and the output errors converge to a small neighborhood of zero. A carrier-based UAV nonlinear longitudinal model is employed to testify the feasibility and validity of the control scheme. The simulation results show that all the controllers can perform at a satisfactory level of reference tracking despite the existence of unknown aerodynamic parameters and actuator faults. © 2017 Beijing Institute of Aerospace Information.

飞行器控制面临的机遇与挑战

当前,飞行器控制的发展面临前所未有的机遇与挑战.基于对飞行器的发展趋势、新需求和新技术特征的分析,本文从飞行器新技术特征、信息化环境、无人系统自主性、高可靠可重构容错系统、飞控系统评估与确认五个方面研究和分析了飞行器控制面临的机遇与挑战.为了达到利用机遇和赢得挑战的目标,作者建议加强如下五个方面的研究:加强面向飞行器新技术特征的飞行器控制概念、理论与方法研究;加强面向信息化环境的控制、计算与通讯一体化,以及控制、决策与管理一体化的研究;加强面向不确定性的无人系统高级别自主性的研究;加强面向高可靠、高安全性的可重构容错飞控系统的研究;加强面向高效、高可信度的飞控系统评估与确认方法的研究.

飞控系统主动容错控制技术综述

从控制工程的角度对目前飞行控制系统和空中交通的主动容错控制方法进行了归纳和总结。首先分析了飞行控制系统主要的故障类型,包括舵面故障、传感器故障和过程故障。然后根据线性和非线性飞机模型,分别介绍了相关的容错控制技术,主要分为基于模型和基于知识两大类。对于空中交通系统的容错控制技术也做了深入的阐述。最后,对飞行控制系统主动容错控制技术领域目前存在的一些问题以及未来的发展方向进行了探讨。

高空长航时无人机飞控机容错技术研究

高空长航时无人机对飞行控制计算机提出了高可靠性要求,使用余度容错飞控计算机是提高安全可靠性的重要途径之一。从系统的可靠性指标出发,兼顾系统体积、重量、成本和余度管理方式,提出了一套结合通道自监控和比较监控双因子的飞控计算机方案,该方案规避了n模冗余结构表决器单点故障的缺陷,满足无人机高可靠、低成本、扩展性强等要求;针对高空长航时无人机多等级余度飞控系统,提出一种基于核心参数完整性的通道有效性方法,该方法中主备传感器可靠性模型由整机余度模型优化为分级余度模型。最大限度的提高系统的资源利用率,有效提高飞控计算机的容错能力,同时也提高了传感器子系统的可靠性。运用故障注入技术对飞控系统进行测试,试验结果表明该方法能够有效提高系统故障覆盖率和故障隔离率。

无人机容错飞行控制计算机体系结构研究

高性能无人机对飞行控制计算机提出了高可靠性要求,使用余度容错飞控计算机是提高安全可靠性的重要途径之一。对容错飞控计算机安全可靠性、实时性、维护性等设计要求进行研究,分析了无人机容错飞控计算机的设计要求特点;阐述了典型军用、民用有人机以及无人机容错飞控计算机的体系结构及关键余度管理策略,总结了无人机容错飞控计算机体系结构特点及发展方向。根据上述研究结果,提出一种基于FlexRay总线的相似三模余分布式容错飞控计算机体系结构,FlexRay总线既是单通道飞控计算机的内部总线,也是多通道飞控计算机的系统总线。该体系结构能够抑制拜占庭故障,满足无人机高可靠、低成本、扩展性强、维护性能好等要求。

分布式电传飞行控制系统结构发展及分析

飞行控制作为各类航空飞行器最主要的支撑技术,经历了从阻尼器、增稳系统、控制增稳到电传技术的发展历程。新一代飞机平台的发展主流正在向综合控制体制迈进,从多个角度阐述了飞行控制系统结构发展的内在要求,并对分布式飞行控制系统结构演进的现状、发展和面临的挑战进行了系统分析。

自修复飞控系统的可靠性估计

给出了故障检测与诊断算法（ＦＤＩ）的故障检测覆盖率、漏报率及操纵面故障下控制律重构的成功率的定义；提出了建立在ＦＤＩ和重构基础上的自修复飞控系统的故障监控覆盖率的估计方法．以某型机的四余度电传飞控系统为例，比较了传统飞控系统和自修复飞控系统在两种故障下的可靠性．结果表明，在执行机构进行部分简化，考虑了故障覆盖率之后，自修复飞控系统比传统飞控系统具有更高的可靠性．若故障覆盖率可达到９７．５％，利用现有飞控布局。

基于神经网络的飞控系统实时容错设计与仿真

为了提高系统的可靠性与容错能力,提出了基于径向基神经网络的飞行控制系统传感器实时容错策略。利用改进的梯度下降优化算法来设计神经网络,以提高网络的学习速度和映射能力;基于网络的逼近性能,建立在线神经网络辨识模型;考虑到系统闭环反馈与实时控制的特性,使用多个辨识模型的信息进行传感器故障的定位和信号重构。应用某型飞机进行仿真,在保证闭环系统稳定的前提下,实现了传感器的在线故障隔离与信号重构,达到了预期的效果。

考虑舵机故障的空空导弹飞行控制系统主动容错控制

针对空空导弹的舵机卡死、驱动电路失效、伺服电机故障等单片舵失效的故障,设计了一种主动容错飞行控制系统,利用导弹尾舵中各舵面的内在联系和功能上的冗余,改变控制指令分配方式,实现弹体三通道稳定控制,仿真表明该方法对于典型的舵机失效问题具有较强的容错能力,提高了空空导弹飞行控制系统的可靠性。

基于智能解析余度的容错飞控系统设计

常规的解析余度容错方法容易受到不确定因素和随机干扰的影响,本文以飞行控制系统为研究对象,提出基于智能解析余度的容错飞行控制系统设计方案,使用径向基神经网络的在线学习和全局逼近的性能,建立飞行控制系统传感器之间的解析余度关系,利用不相同传感器之间的解析关系进行残差分析从而进行传感器的故障隔离与信号重构.这样有效地抑制了测量噪声和模型不确定性.应用某型飞机进行仿真,实现了传感器的在线故障隔离与重构,验证了该方法的有效性.

一种容错飞行控制的神经网络方法研究

文章提出了一种新的主动容错飞行控制系统设计方法,可同时进行飞控系统执行器的故障诊断和容错控制;首先建立飞机执行器故障模型,接着应用改进的BP神经网络算法,进行飞行控制系统模型辨识,实时进行故障诊断;然后根据故障诊断信息进行自适应容错控制,为了克服故障系统引起的模型误差和非线性因素的影响,设计了自适应神经网络PID参数整定和动态逆控制器,对飞行控制系统执行器故障进行容错控制,以实现系统的良好模型跟踪和动态性能;仿真结果表明,在保证闭环系统稳定的前提下,实现了执行器的在线故障诊断与容错控制,达到了理想的效果。

多余度飞控计算机通道故障逻辑技术研究

在航空电子系统中,飞控计算机系统用于控制飞机的飞行功能,要求具有极高的可靠性,必须采用容错技术来满足要求。容错的重要方法是冗余。目前的飞控计算机系统,大多采用双余度、三余度及四余度的容错计算机。在余度计算机中,每一余度称为一个通道,每个通道均具有输出控制能力,因此余度计算机输出控制权的确定和交接就变得至关重要。介绍了道故障逻辑的功能需求和结构,重点研究了一种3×2余度飞控计算机系统通道故障逻辑的设计。

基于分级容错技术的高完整计算机系统设计

对国内外三代机、四代机及民机中的机载安全性关键系统发展情况进行深入分析,总结了多通道表决、比较对故障静默等典型容错计算机架构的技术特点,围绕新一代飞机对机载安全关键计算机系统的可靠性、容错能力、故障检测隔离能力、实时性的新挑战,提出了基于分级容错技术实现的高完整计算机系统设计思路,描述了分层分级实现高完整性容错的设计原理,并对其所涉及的Lock-step技术、时间触发网络等关键技术给出了解决途径,可满足下一代飞行器的发展需要,提升机载安全关键计算机系统的安全性、可靠性。

网络化飞行器执行机构故障自适应容错控制

针对存在随机短时延和外部干扰的网络化飞行器执行机构故障问题,提出了一种自适应容错控制方法。首先利用扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)对系统不确定性进行估计,并构建了自抗扰控制器对不确定性进行补偿。在此基础上,设计了一种基于跟踪误差的自适应容错控制方法。当执行机构发生未知故障后执行机构指令能自适应逼近设计值,使得重构的控制系统精确跟踪参考模型。最后利用Lyapunov函数方法证明了闭环控制系统的有界稳定。数值仿真校验了所提方法的有效性。

一种现代航天器飞行控制系统及其容错技术研究

阐述了一种现代航天器飞行控制系统的组成原理及其类别,阐述了时分复用和波分复用的性能特点,进一步提出了光纤多路发送软件、接收软件的设计技术。在详尽介绍容错技术的基础上,设计了一种现代航天器飞行控制系统三余度容错技术方案。实例仿真验证表明,本文所设计的现代航天器容错系统是可行的,并具有很强的鲁棒性。

离散时间系统的主动容错控制及飞控应用(英文)

针对处理一类线性不确定离散时间系统多重的、同时发生的、突变的舵机故障问题,提出了一种新的故障估计方案。该方案考虑了两种舵机故障模型:舵机卡死和舵机失效。所提出的舵机故障估计方案适用于为战机设计一个H∞容错飞行控制器,用于以零横向加速度跟踪飞机转弯角和俯仰率指令。仿真结果表明,采用H∞容错飞行控制器能够取得较好的控制效果。

自愈控制系统研究的综述、分析与展望

近年来,为了改变依靠紧急停车、人工维护和故障排除的传统的维修方法,在一些技术应用领域中人们提出了自愈控制的思想.本文通过梳理智能电网的自愈控制、飞行控制系统的自愈控制和机器故障自愈调控的相关研究成果,明确了自愈控制的特征和功能并给出了其定义;其次,讨论了自愈控制、自愈系统和容错控制的联系与区别;最后,总结了研究自愈控制的意义并分析了其发展趋势.作者对自愈控制的相关技术应用领域及成果进行综述和深入分析,旨在提高自愈控制系统的规范化和重用性、提炼和总结其共性并给出自愈控制系统的基本架构,从而为其将来的理论研究奠定初步的基础、为指导实际的自愈控制的应用提供一定的参考.

基于SOPC的微小型无人机容错飞行控制平台设计

针对微小型无人机的高可靠性和微型化要求,将可编程片上系统(SOPC)技术和容错技术相结合,设计出一套双余度容错飞行控制平台;从容错方案的选取到硬件和软件的实现给出了具体实施方案,并对同步技术、故障诊断与定位、动态重构与隔离等关键技术进行了研究;经过仿真验证和试验表明,该方案设计合理,系统平台不仅可以实现无人机飞行控制的基本功能,而且具有很高的集成度和灵活性,并且满足一次故障安全。

基于伪逆最优控制飞行控制系统容错重构设计

针对飞行器操纵面受损或失效下的容错重构及其操纵品质问题,提出一种基于线性二次最优控制(linear quadratic regulator,LQR)理论和伪逆法技术实现多变量飞行器控制系统的容错重构技术方案。应用LQR最优控制实现飞行器控制系统的稳定优化设计,并考虑飞行器操纵面故障特点,建立其故障一般描述形式,利用伪逆法技术实现飞行器故障状态下的控制率重构与优化设计,保证重构下闭环控制系统的严格正实与全局稳定性。针对飞行器控制系统操纵面的典型故障进行容错重构仿真验证,结果表明所提出系统容错重构方案能够实现对飞行器在操纵面故障下的有效控制。