基于解析模型的飞控系统执行机构的故障诊断

发布时间：2019-07-18 21:07

【摘要】：执行机构在无人机飞行控制系统中发挥着十分重要的作用,对其进行实时的故障诊断很有必要。首先对无人机执行机构的工作原理进行分析,在此基础上建立了无人机执行机构的解析模型,再以模型为参考,对无人机的执行机构进行实时的状态监测和故障诊断;设计了一种基于残差的阈值——改进SPRT联合算法,从残差中提取故障特征,对执行机构的工作状态做出检测和判断;最后,建立了执行机构故障的数学模型,通过在执行机构注入故障模型对文中的设计思路进行仿真验证。结果表明,该联合算法能快速有效地识别出执行机构的典型故障。
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图片说明：李勇等:基于解析模型的飞控系统执行机构的故障诊断型，将控制器的输出同时传输给真实执行机构与执行机构模型，接着将舵面偏角信息与执行机构模型输出的信息进行残差处理，，最后，从残差中提取故障特征进行分析，从而达到对执行机构实时状态检测和故障诊断的目的，整体设计思路如图1所示。图1执行机构故障诊断原理图Fig．1Theprinciplediagramofactuator'sfaultdiagnosis2系统建模2．1执行机构建模执行机构建模是研究其故障诊断的一个关键步骤。执行机构由舵机、机械联接装置和舵面组成，它的输入由控制器给出，输出信号由舵面偏角传感器测得［4］。飞行控制系统通过PWM或DA输出通道对舵机进行输出控制，舵机将输入的电信号转换为其机械运动，通过机械装置驱动舵面产生相应动作。无人机采用的舵机一般是电动舵机，由直流电动机、测速装置、位置传感器、齿轮传动装置和安全保护装置构成。舵机实际是一个高阶非线性环节，为准确地建立舵机的模型，要充分考虑舵机的静态特性和动态特性［5］。为了改善舵机的性能以满足飞行控制系统的需求，通常将舵机的输出信号反馈到输入端形成具有负反馈回路的随动系统，从而构成一个典型的舵回路，如图2所示。图2舵回路方框图Fig．2Theblockdiagramofrudderloop结合电动舵机的动态特性和静态特性，电动舵机的特征可以用一个二阶线性环节来近似，再加入间隙和幅值限制环节，由此建立了舵机的模型。舵机的输出值由传动机构传递给舵面，因此，模型中需加入滞环环节模拟此过程。综上所述，执行机构的模型如图3所示。图3执行机构模型示意图Fig．3Theschematicdiagramofactuatormodel在建立执行机构模型的过程中，主要考虑的参数是阻尼比和自然频率。结合工程实际，本文设置参数为:
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图片说明：鄗谴鄒衅鞑?得［4］。飞行控制系统通过PWM或DA输出通道对舵机进行输出控制，舵机将输入的电信号转换为其机械运动，通过机械装置驱动舵面产生相应动作。无人机采用的舵机一般是电动舵机，由直流电动机、测速装置、位置传感器、齿轮传动装置和安全保护装置构成。舵机实际是一个高阶非线性环节，为准确地建立舵机的模型，要充分考虑舵机的静态特性和动态特性［5］。为了改善舵机的性能以满足飞行控制系统的需求，通常将舵机的输出信号反馈到输入端形成具有负反馈回路的随动系统，从而构成一个典型的舵回路，如图2所示。图2舵回路方框图Fig．2Theblockdiagramofrudderloop结合电动舵机的动态特性和静态特性，电动舵机的特征可以用一个二阶线性环节来近似，再加入间隙和幅值限制环节，由此建立了舵机的模型。舵机的输出值由传动机构传递给舵面，因此，模型中需加入滞环环节模拟此过程。综上所述，执行机构的模型如图3所示。图3执行机构模型示意图Fig．3Theschematicdiagramofactuatormodel在建立执行机构模型的过程中，主要考虑的参数是阻尼比和自然频率。结合工程实际，本文设置参数为:幅值±60°;阻尼比0．7;自然频率20Hz。2．2执行机构故障建模从时间特性上来讲，执行机构的故障划分为缓变性故障、突变性故障和间歇性故障;从执行机构所表现出的故障具体形式，又可以将其分为执行机构卡死故障、执行机构松浮故障、执行机构损伤故障和执行机构偏差失效故障。本文主要按照第2种分类方式来分析执行机构故障。卡死故障是执行机构卡在某个位置不能动作，这种故障可能是由于机械卡死造成。卡死故障使得执行机构对控制律解算出的控制输入不再给出反应，直接导致无人机失控。松浮故障是指执行机构无规则地自由移动，而
【作者单位】：南京航空航天大学自动化学院;
【分类号】：V267

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