飞行控制系统的故障诊断与容错控制

飞行控制系统的故障诊断与容错控制

周晓宇08010201

聆听姜斌老师的讲座后，我对飞行控制系统的故障诊断与容错控制方面有了初步的了解，并产生了较为浓厚的兴趣。

首先，飞行控制系统的被控对象包括飞艇、飞机、近空间飞行器、火箭、导弹、人造地球卫星、空间探测器、载人飞船、航天站、航天飞机等，而飞机又包含客机、运输机、直升机、无人机、战斗机等类型。我们对飞行控制系统进行飞行控制的主要目的大概有四个方面：（1）稳定飞行，主要指姿态稳定，这是任何飞行器的首要任务；（2）轨迹控制，包括航迹、高度、航向、起飞着陆等；（3）目标跟踪，主要针对目标的跟踪和拦截；（4）轨迹跟踪，主要指队预定轨迹(进场着陆)实时路径规划轨迹。以上是飞行控制系统的一些基本概念，为达到设计者期望的技术指标，需要详细了解飞行器的特性、控制要求、控制方法和验证方法。

其次，在飞行控制系统方面，让我感慨较深的有两个方面，分别是光传飞行控制系统和飞行控制系统的建模问题。

对于光传飞行控制系统，它是飞行控制系统发展中较高级的阶段，和之前出现的简单飞行操纵系统、机械操纵系统、控制增稳系统、电传飞行控制系统相比，它不仅可有效地防御电磁干扰、雷电冲击、核爆辐射、消除各信号通道间的串扰，而且还可以极大地减轻飞机重量，增加飞机上的可用空间，同时这种方法可使光纤传输损耗低、频带宽。可以说，随着计算机技术和控制理论的发展，飞行控制系统的

设计方法也发生了变化，从最初的经典控制方法，发展到了自适应控制、模糊控制、神经网络控制、容错控制等现代控制方法。飞行器结构的复杂化和种类的多样化注定了飞行控制系统必将成为现代控制理论研究的热点领域。

除了光传飞行控制系统外，我对飞行控制系统的建模问题也产生了一些想法。通过建模方程，我们可以把一些抽象的问题用数学模型的方法表示出来，譬如，我们可以建立飞行器姿态测量系统，对飞机的姿态角、航向、转动角速度等使用专业仪器测量后，在多维坐标系中进行问题的分析和研究。又比如，飞机模型的线性化问题，我们可以采用小扰动法将含有扰动运动参数与基准运动参数间差值的高阶小项略去，并同时在平衡点上利用泰勒级数对化简式进行展开并仅保留一次项，由此即可得到雅可比矩阵形式的线性化状态方程。

通过对以上两个例子的分析，我有两点心得体会，一是要学会学以致用，将所学到的知识融会贯通，分类组合，只有这样，才能将看似复杂的问题简单化；其二，就是上面提到过的，大自然中的物理量，绝大部分是模拟量，然而如果我们想对事务进行深入的分析和研究的话，最好的办法还是将它们转化为数字量，其实也就是真实事物的建模问题。

通过这场讲座，我除了对飞行控制系统有了一个大致的了解外，还对飞行系统的故障诊断与容错控制方面有了更深入的了解。

近几年，随着经济的快速发展，民航运载任务越来越重，民航飞机朝着大型、多载重方向发展，飞机系统的复杂性也在不断增加，故

障发生的概率越来越大。几乎每年世界各地都会发生上百起飞行事故，造成众多的人员伤亡与财产损失，为此，我们不得不认真考虑飞行系统在工作之前的故障检测与容错控制问题。

首先我们应该了解飞行系统可能发生的故障，它包括舵面故障、传感器故障、过程故障等。如此我们可以根据以上容易发生故障的部位检测故障发生的具体原因，并进而拿出具体的解决方案。飞控系统的故障诊断与容错控制问题又包括以下五种：（1）基于多模型的故障诊断与容错控制、（2）基于非线性模型的故障诊断与容错控制、（3）基于智能控制方法的故障诊断与容错控制、（4）自修复控制问题、（5）空中交通系统容错控制。其中自修复控制问题是指利用飞机多操纵面(如可独立操纵的升降舵、方向舵、襟翼、襟副翼、鸭翼、尾翼、缝翼、减速板等)的功能冗余，或者利用多个可旋转的小喷气发动机的功能冗余，增加结构故障适应性，避免灾难事故的发生，使出现结构损伤的飞行器仍可安全飞行或定轨，然而这项技术的实现在当今仍旧是技术难题。

通过以上分析，我们很清楚的发现我们在飞行控制系统的故障诊断与容错控制方面依然面临着巨大的挑战。首先，我们需要设计一个可靠的FDI系统，通过它，我们可以了解飞机健康状况的精确信息，但是我们需要意识到我们对FDI系统的要求是很高的，譬如，它需要对外部扰动、模型不确定性和传感器噪声具有鲁棒性，同时它不允许产生误报警，然而当我们和事实接轨的时候，就必须清醒地注意到：FDI系统和它监视的飞行控制系统会不可避免地产生相互作用，FDI

系统监控飞机的状态并辨识相关数据，这些数据通常被飞行控制器用来综合控制指令。因此，飞行控制器的性能依赖于FDI系统提供的结果，反之亦然。这看上去并没有什么危害，但是我们必须了解到，当执行器和传感器发生故障后，二者之间的相互作用将产生负影响。此外，飞行控制器的鲁棒性能掩盖某些飞机故障，可能会使故障检测变得更加困难。同时，我们还面临着其他挑战，如主动容错与被动容错有机结合问题、飞控系统的复杂性和故障的多样性问题、飞控系统重构过程的动态性能改善问题，等等等等。

这诸多的问题给我们的科研人员带来了巨大的压力，同时也给更加稳定、安全、高速的飞行系统的产生迎来了希望。也许过多地描述问题是一项很没有意义的工作，因为真正让大家看到前进与希望的是我们不懈的努力。

是的，我们的科研团队已经做出了诸多方面的努力，包括飞控系统故障模式诊断系统研究、直升机飞行控制系统的故障诊断与容错控制研究、近空间飞行器故障诊断与容错控制技术研究、小卫星姿态控制系统故障诊断和量子控制理论在自修复控制中的应用研究。在这些研究领域中，我最感兴趣的当数近空间飞行器故障诊断与容错控制技术研究。近空间是界于航空与航天之间，未被开发的空间，是当前国内外研究的热点课题。但是近空间高超声速飞行器高度机动，并具有复杂非线性、强耦合、不确定、快速时变等特点，对故障诊断与容错控制技术提出了更高的要求。尽管问题复杂，但是针对近空间飞行器模型复杂非线性等难点，我们可以采用基于观测器的方法，结合动态

逆控制，Backstepping, 模糊滑模控制，神经网络等先进控制技术，研究其故障诊断与容错控制算法。为了更好地说明和验证我们的结论，我们可以使用仿真验证的方法。NSV故障诊断仿真平台可以在近实际的情况下验证算法，专门针对MATLAB/Simulink非实时、不易支持硬件扩展的缺点而研制。通过软件仿真我们可以对飞行系统设定初值、观察无故障情况、故障发生情况，并模拟故障处理办法。虽然我们已经在这个领域取得了一些成绩，但事实上，我们在飞行控制系统的故障诊断与容错控制方面还有很长的路要走。所以，自动化专业的同志个个都需要加油。

听完这场讲座后，我自认学到了一些专业的知识，同时也领悟到一些思想与心灵的东西。无论是故障诊断还是容错控制的研究，都需要大量的人力物力，尽管正在努力的人很多，但是距离我们真正做出成就的时日依然尚远。也许我们真的应该仔细考虑品质与创新问题，也许我们更应该做的是将一种探索与创新的精神写入每一天的生活琐事中，尽管我们可以掌握的阶梯式的能力与知识是有限的，但是也许一种创新的维度与探索的精神可以帮我们如火箭一般跳离惯性的束缚，一跃而入梦想的天堂！