基于性能损失的电液伺服系统解析冗余在线故障检测与主动容错控制关键技术研究

For valve-controlled hydraulic actuation system of the safty-first systems, a new concept of analytical redundency online fault detection and active fault tolerant control is proposed. This proposal takes the airplane as its application requirment, gives the fundamental problem formulation of the fault detection and accommodation of hydraulic systems, builds the mathmatical model of potential faults, proposes a new performance-oriented fault detection and accommodation scheme, which takes the performance degradation as the fault detection signal, integrates the adaptive control and robust control technology, to guarantee the robustness of fault detection and improve the sensitivity of it; when fault detected, the designed active fault tolerant controller is activated to restore the control performance, avoid its worse going, which can be used to keep the safty of the hydraulic systems; meanwhile, gives the reports of the fault status, including the parameters and states information, in an quantitative way, to improve the maintance process when the system is unused, promoting the transformation from the time-based maintenance to the demand-based maintenance. The goal of the proposal is to research new fault detection methods and tolerant control strategies and their theoretical tools and methods via hydraulic application, expect some breakthroughs and innovations at key techniques, and push forward the practical application of the online fault detection and fault tolerant control.

本项目针对安全至上系统的阀控液压作动装置，提出一种基于解析冗余的新型在线故障检测与容错控制理念，以飞机作动系统为背景，提炼具有普遍意义的问题描述，通过故障建模，创造性地以系统控制性能损失程度为故障检测指标，融合自适应与鲁棒等技术，在保证故障检测鲁棒性的前提下，设计合理的估计策略提高故障检测(含辨识)的敏感性；检测到故障之后，针对系统性能降阶设计有效容错控制器，尽可能恢复系统性能，防止故障进一步恶化，确保系统安全；同时，向上一级管理系统或决策者定量报告控制性能状况；尽可能提供故障特征信息，为非服役状态下系统维护提供参考，努力改善维修体制，期望从现行的"定期维修"向更合理的"视情维修"转变。项目的主要目标是通过对电液伺服系统故障检测与容错控制研究，深入探索新的故障检测手段和容错控制策略及相应的理论工具和研究方法，以求在关键技术上有所突破和创新，推动在线故障检测与容错控制在我国早日走向实用化。

本项目以飞机作动系统为背景，以安全至上的阀控液压装置为研究对象，主要目标是通过对电液伺服系统故障检测与容错控制研究，深入探索新的故障检测手段和容错控制策略及相应的理论工具和研究方法，以求在关键技术上有所突破和创新。为此，本项目开展了如下的主要研究内容：1)包含全故障描述的电液伺服系统数学建模；2)基于控制性能损失程度的在线故障检测方法研究；3)参数及状态估计策略；4)容错控制设计；5)基于故障模拟及负载模拟的仿真及实验研究。通过上述内容的研究，本项目提出了一种基于解析冗余的在线故障检测与容错控制方法，以系统控制新能损失程度、参数估计阈值判别、状态/干扰估计阈值判别等为故障检测/诊断指标，融合参数自适应和鲁棒控制技术，设计合理的估计策略提高故障检测(含辨识)的敏感性；检测到故障之后，针对系统性能降阶设计有效容错控制器，尽可能恢复系统性能，防止故障进一步恶化，确保系统安全；同时，向上一级管理系统或决策者定量报告控制性能状况；尽可能提供故障特征信息，为非服役状态下系统维护提供参考，努力改善维修体制，期望从现行的“定期维修”向更合理的“视情维修”转变。本项目在基于李亚普诺夫函数的故障检测信号优化选取、参数估计、状态估计、干扰估计、面向不确定性的容错控制、故障模拟、负载模拟等方面都取得了一些成果，尤其是在不确定性估计和控制方面取得了较好的进展。