CN104678764B - 基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法，涉及飞行器控制技术领域。所述的混合余度方法设计了解析重构信号，在当前传感器系统正常工作情况下，解析重构信号仅作为热备份信号，不参与监控表决系统的表决策略；一旦出现监控表决系统的表决结果异常时，启动热备份信号参与表决，监控表决系统将各个传感器测量值与这个解析重构信号进行比较，并给出正确的测量值输出。这样，提高了单纯依赖硬件余度处理传感器故障的能力，提高了传感器系统的余度等级和故障/工作水平；后期的硬件维护难度也大大降低，如果可以保证解析信号的正确性，还可以适当降低传感器系统的硬件余度配置。

Description

基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法

技术领域

本发明涉及飞行器控制技术领域，特别提供一种采用解析重构技术识别角速率传感器故障及重构角速率信号的方法。具体地说，是指一种基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法，是将解析重构信号与硬件余度系统组成为混合余度系统以提高传感器系统可靠性的方法。

背景技术

为了提高飞行器测量系统的可靠性，现代飞行器的测量系统通常采用具有相同功能的多余度传感器用以测量同一被测量量。即在某一通道发生了测量故障后，余下通道的测量信号仍能正常工作，确保系统有可以使用的有效信号为飞行控制系统提供用以控制律解算的测量信号，保证飞行器的飞行性能或任务执行力基本不变(或在一定程度上有所降低，但可接受)。

当前采用多硬件通道构成余度系统时，为了避免相同的硬件和软件造成的共点故障，余度系统往往使用完全不同的硬件和软件组成非相似余度。但无论是相似余度还是非相似余度，这种多套硬余度有一个本质弱点，即其基本平均无故障时间会随着硬件余度的增加而成倍下降。

解析余度不需要增加硬件而是用解析的方法为飞行器传感器提供余度。通常使用现代控制理论中的最优估计或人工智能的方法将传感器的测量值估计出来。当某个传感器发生故障后，就用这个估计值代替测量值，使飞行控制律能够正常解算，以保证飞行器的安全飞行和任务可靠执行。

目前飞行器控制系统中直接参与控制律解算的传感器通常采用硬件三余度或四余度结构。当某一通道传感器发生故障时，对于三余度或四余度传感器系统，监控表决器通过少数服从多数原则，判断故障通道，从而可以进一步隔离故障通道，此时原设计余度系统余度等级降低。

对于三余度监控表决系统，当出现一次故障时，降为双余度，如果再发生一次故障，则出现1:1的情况，此时监控表决系统无法判断故障通道，飞控系统会切断所有通道，控制律失效，如图1。因此，三余度监控表决系统实际上只能实现一次故障/工作等级。对于四余度系统，如果是故障单独出现，可以实现二次故障/工作等级；而如果是两个通道同时故障，即出现2:2情况，监控表决系统无法判断故障通道，飞控系统会切断所有通道，控制律失效。因此，四余度系统实际上只能实现二次故障/工作等级或无故障/工作等级。由此可知，单纯硬件余度系统的故障/工作等级实际上是比较低的。

采用进一步增加传感器硬件余度的方法可以提高传感器测量的可靠性，但这也直接带来一些不可忽视的缺点：

1.增加了飞控系统和表决监控系统的复杂性；

2.增加传感器硬件余度降低了飞控系统的平均无故障时间，并使得系统加工、装配、生产、维护的工作难度和工件量大大增加；

3.增加了飞机的起飞重量和开发成本。

因而，在这种情况下，如果有一个不增加飞行器开发费用、不增加飞行器后期维护难度的解析余度信号作为传感器系统的备份信号，在传感器出现上述故障或在传感器监控表决系统出现1:1或2:2的状态下，这个备份信号能够为飞行控制系统提供控制律解算所需要的关键传感器信息，保证解算出的控制律具有较高的准确性和可行性，从而使得飞行器能够安全飞行且具有一定程度的任务执行力。

发明内容

本发明提出一种基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法，所述的混合余度方法设计了解析重构信号，在当前传感器系统正常工作情况下，解析重构信号仅作为热备份信号，不参与监控表决系统的表决策略；一旦出现监控表决系统的表决结果异常时，启动热备份信号参与表决，监控表决系统将各个传感器测量值与这个解析重构信号进行比较，并给出正确的测量值输出。这样，当硬件传感器余度系统出现1:1或2:2情况时可以利用解析重构信号协助判断和隔离故障传感器通道，在硬件传感器余度系统全部故障时可以提供一个近似正确的传感器信号用于控制律解算，仍可以保证飞行器安全飞行。本发明提供的混合余度方法可以使三余度或四余度系统都提高两个故障/工作等级。

本发明提供的所述的混合余度方法包括如下步骤：

第一步，采集三余度传感器系统的测量值。

每个传感器的测量值分别记为X₁、X₂、X₃，通过监控表决系统，分为如下几种情况进行表决：

(1)|X₁-X₂|＜ε，|X₁-X₃|＜ε，|X₂-X₃|＜ε，同时成立，转第二步；

(2)|X₁-X₂|≥ε，|X₁-X₃|≥ε，|X₂-X₃|＜ε，测量值为X₁的第一传感器为故障传感器；出现一次传感器故障，转第三步；

(3)|X₁-X₂|≥ε，|X₁-X₃|＜ε，|X₂-X₃|≥ε，测量值为X₂的第二传感器为故障传感器；出现一次传感器故障，转第三步；

(4)|X₁-X₂|＜ε，|X₁-X₃|≥ε，|X₂-X₃|≥ε，测量值为X₃的第三传感器为故障传感器；出现一次传感器故障，转第三步；

如果上述四种情况均不满足，转第四步；

其中，ε为传感器容许阈值。

第二步，监控表决系统输出三个测量值的中间值作为表决结果，传感器状态为无故障传感器；

第三步，在当前传感器系统发生一次传感器故障后，监控表决系统对故障传感器的故障通道进行隔离，解析重构信号与剩余通道信号组成混合三余度系统；

假设测量值为X₃的第三传感器为故障传感器(即第(4)中情况)，故障通道隔离后，监控表决系统出现1:1的表决结果，因此此时需要引入第三个值即解析重构信号X₃′，参与到监控表决系统，具体表决过程为：

解析重构信号X₃′与两个正常的传感器的测量值X₁和X₂组成混合三余度系统，分如下几种情况进行表决：

(a)|X₁-X₃′|＜ε且|X₂-X₃′|＜ε，则认为无故障传感器，监控表决系统输出X₃′、X₁、X₂中的中间值；

(b)|X₁-X₃′|≥ε且|X₂-X₃′|＜ε，测量值为X₁的第一传感器为故障传感器，即出现二次传感器故障，监控表决系统输出第二传感器的测量值X₂；

(c)|X₁-X₃′|＜ε且|X₂-X₃′|≥ε，测量值为X₂的第二传感器为故障传感器，即出现二次传感器故障，监控表决系统输出第一传感器的测量值X₁；

如果上述三种情况均不满足，则转第四步；

第四步，三个传感器均为故障传感器，输出解析重构信号X₃′。

本发明的优点在于：

本发明所述的采用解析余度处理飞控系统传感器故障的方法，提高了单纯依赖硬件余度处理传感器故障的能力，提高了传感器系统的余度等级和故障/工作水平。本方法在提高余度等级的同时没有改变传感器余度系统的平均无故障时间，由于采用解析余度，后期的硬件维护难度也大大降低，如果可以保证解析信号的正确性，还可以适当降低传感器系统的硬件余度配置。

附图说明

图1当前主流三余度监控表决系统实现原理框图；

图2为本发明提供的基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法原理框图；

图3为本发明中混合余度算法流程图；

图3a为本发明中混合余度方法中三余度传感器系统无故障及发生一次故障时的表决算法流程图；

图3b为本发明中三余度传感器系统一次故障后与解析重构信号组成混合三余度系统的表决算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细地说明。

本发明提供了一种基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法，如图2和图3所示，当传感器系统无故障传感器时，直接通过监控表决系统(包括比较器和表决器)输出传感器状态和表决结果；对于三余度传感器系统，当出现一次传感器故障，监控表决系统可以实现对传感器故障隔离，当三余度传感器发生二次故障时，监控表决系统的表决结果为1:1，此时仅仅通过原有的监控表决系统不能识别出故障传感器，因此采用本发明提供的混合余度方法，利用解析重构信号，组成三余度系统实现表决结果和传感器状态的输出；当四余度传感器系统出现2:2的表决结果时，也要采用本发明提供的混合余度方法提供解析重构信号辅助表决结果。下面以三余度传感器系统为例详细给出本发明提供的混合余度方法，结合图3a和图3b，具体实现步骤如下：

第一步，采集三余度传感器系统的测量值。

每个传感器的测量值分别记为X₁、X₂、X₃，通过监控表决系统，如图3a所示，分为如下几种情况进行表决：

(1)|X₁-X₂|＜ε，|X₁-X₃|＜ε，|X₂-X₃|＜ε，同时成立，

(2)|X₁-X₂|≥ε，|X₁-X₃|≥ε，|X₂-X₃|＜ε，测量值为X₁的第一传感器为故障传感器；

(3)|X₁-X₂|≥ε，|X₁-X₃|＜ε，|X₂-X₃|≥ε，测量值为X₂的第二传感器为故障传感器；

(4)|X₁-X₂|＜ε，|X₁-X₃|≥ε，|X₂-X₃|≥ε，测量值为X₃的第三传感器为故障传感器；

对于第(1)种情况，转第二步；

对于第(2)～(4)种情况中的任意一种，出现一次传感器故障，转第三步，

如果上述四种情况均不满足，转第四步，

其中，ε为传感器容许阈值，

第二步，监控表决系统输出三个测量值的中间值，无故障传感器；

第三步，在当前传感器系统发生一次传感器故障后，监控表决系统对故障传感器的故障通道进行隔离，解析重构信号与测量值组成混合三余度系统；

假设测量值为X₃的第三传感器为故障传感器，故障通道隔离后，监控表决系统出现1:1的表决结果，因此此时需要引入第三个值即解析重构信号X₃′，参与到监控表决系统，结合图3b，具体表决过程为：

解析重构信号X₃′与两个正常的传感器的测量值X₁和X₂组成混合余度系统，分如下几种情况进行表决：

(a)|X₁-X₃′|＜ε且|X₂-X₃′|＜ε，则认为无故障传感器，监控表决系统输出X₃′与X₁和X₂中的中间值；

(b)|X₁-X₃′|≥ε且|X₂-X₃′|＜ε，测量值为X₁的第一传感器为故障传感器，即出现二次传感器故障，监控表决系统输出第二传感器的测量值X₂；

(c)|X₁-X₃′|＜ε且|X₂-X₃′|≥ε，测量值为X₂的第二传感器为故障传感器，即出现二次传感器故障，监控表决系统输出第一传感器的测量值X₁；

如果上述三种情况均不满足，则转第四步；

第四步，三个传感器均为故障传感器，输出解析重构信号X₃′。

通过上述的混合余度方法，当三余度传感器系统发生二次传感器故障时，利用解析重构信号参与表决，判断和隔离故障通道，可以实现在二次传感器故障下，仍保证一个解析重构信号与一个正常传感器工作，此时系统降级为双余度。这相比传统的三余度系统，余度等级提高了两个等级。

当前飞行控制系统(简称飞控系统)的余度传感器系统，采用多余度传感器结构(2个或以上传感器)，并通过监控表决系统(包括比较器和表决器)进行多数表决。当某个传感器发生故障时，通过监控表决系统识别出错误的传感器，并对故障传感器进行隔离。然而，当多余度传感器结构的表决结果为1:1或者2:2时，监控表决系统则不能识别出故障传感器，此时监控表决系统失效。如对于三余度系统只能实现单故障/工作；而对于四余度系统，如果是单故障情况，可以实现二次故障/工作的余度等级；如果是出现2:2情况则无故障/工作等级，因而单纯的硬件余度的故障/工作等级较低。而且，如果单纯地靠提高传感器的硬件余度，整体的系统费用及后续维修的难度也大大增加了。

本发明提出采用解析重构信号的方法提高传感器系统的余度等级。当发生1:1或2:2的表决结果时，解析重构信号为监控表决系统提供一个正确的备份信号，从而使得在发生如上所述的导致监控表决系统失效的硬件故障后，监控表决系统仍能工作，提高传感器系统的可靠性。

所述的解析重构信号的设计，以本传感器系统以外的其他传感器系统的测量值为依据，按照两个传感器系统的测量值间的运动学关系，计算出本传感器系统的测量值作为解析重构信号。以三轴角速率传感器系统出现故障为例，对于含有垂直陀螺仪的飞行器控制系统(简称飞控系统)，三轴角速率可以由飞行器的欧拉角进行重构：

差分方程形式为：

其中，p，q，r分别为飞行器的三轴角速率信号，p(k)，q(k)，r(k)分别为飞行器的飞控系统第k个采样点的三轴角速率信号，作为解析重构信号分别为飞行器的欧拉角及相应欧拉角的微分，k为飞控系统第k个采样点，T为飞控系统采样周期。

本发明提供解析信号重构设计原则：

1).要求解析重构信号能够与当前传感器测量值有较高的相似度，即解析重构信号要与真实的测量值在传感器容许阈值ε内保持一致；

2).从硬件传感器故障切换到解析重构信号的过程中，要求飞行器飞行平稳，飞行器内环控制律解算出的控制信号不发生突变；

3).解析重构信号的获取较易实现，可在飞行控制计算机上进行实现，解析重构信号的获取所依赖的其他传感器系统，已在飞行器上安装。

根据上述的解析重构信号的设计原则，对于一般的飞行器来说，三轴角速率信号的解析重构信号通过欧拉角进行获取；法向过载信号增量Δn_z(飞行器在基准运动下由于驾驶操作引起的附加过载)，可以由飞行器的俯仰角速率及操纵面进行重构，计算方法如下：

其中，V为飞行器的空速，Z_α为升力对迎角的气动导数(由吹风数据计算)，g为当地重力加速度，为升力对操纵面的气动导数，Δδ_e为操纵面增量，其中q为俯仰角速率，s为拉普拉斯变换中的复变量。

Claims (3)

1.基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法，其特征在于：包括如下步骤，

第一步，采集三余度传感器系统的测量值；

每个传感器的测量值分别记为X₁、X₂、X₃，通过监控表决系统，分为如下几种情况进行表决：

(1)|X₁-X₂|＜ε，|X₁-X₃|＜ε，|X₂-X₃|＜ε，同时成立，转第二步；

(2)|X₁-X₂|≥ε，|X₁-X₃|≥ε，|X₂-X₃|＜ε，测量值为X₁的第一传感器为故障传感器；出现一次传感器故障，转第三步；

(3)|X₁-X₂|≥ε，|X₁-X₃|＜ε，|X₂-X₃|≥ε，测量值为X₂的第二传感器为故障传感器；出现一次传感器故障，转第三步；

(4)|X₁-X₂|＜ε，|X₁-X₃|≥ε，|X₂-X₃|≥ε，测量值为X₃的第三传感器为故障传感器；出现一次传感器故障，转第三步；

如果上述四种情况均不满足，转第四步；

其中，ε为传感器容许阈值；

第二步，监控表决系统输出三个测量值的中间值作为表决结果，传感器状态为无故障传感器；

第三步，在当前传感器系统发生一次传感器故障后，监控表决系统对故障传感器的故障通道进行隔离，解析重构信号与剩余通道信号组成混合三余度系统；

假设测量值为X₃的第三传感器为故障传感器，故障通道隔离后，监控表决系统出现1:1的表决结果，因此此时需要引入解析重构信号X′₃，参与到监控表决系统，具体表决过程为：

解析重构信号X′₃与两个正常的传感器的测量值X₁和X₂组成混合三余度系统，分如下几种情况进行表决：

(a)|X₁-X′₃|＜ε且|X₂-X′₃|＜ε，则认为无故障传感器，监控表决系统输出X′₃、X₁、X₂中的中间值；

(b)|X₁-X′₃|≥ε且|X₂-X′₃|＜ε，测量值为X₁的第一传感器为故障传感器，即出现二次传感器故障，监控表决系统输出第二传感器的测量值X₂；

(c)|X₁-X′₃|＜ε且|X₂-X′₃|≥ε，测量值为X₂的第二传感器为故障传感器，即出现二次传感器故障，监控表决系统输出第一传感器的测量值X₁；

如果上述三种情况均不满足，则转第四步；

第四步，三个传感器均为故障传感器，输出解析重构信号X′₃。

2.根据权利要求1所述的基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法，其特征在于：所述的解析重构信号的设计原则为：

(1).要求解析重构信号能够与当前传感器测量值有较高的相似度，即解析重构信号要与真实的测量值在传感器容许阈值ε内保持一致；

(2).从硬件传感器故障切换到解析重构信号的过程中，要求飞行器飞行平稳，飞行器内环控制律解算出的控制信号不发生突变；

(3).解析重构信号的获取在飞行控制计算机上进行实现，解析重构信号的获取所依赖的其他传感器系统，已在飞行器上安装。

3.根据权利要求1或2所述的基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法，其特征在于：所述的解析重构信号为三轴角速率信号，根据三轴角速率信号与飞行器的欧拉角之间的运动学关系进行重构。