基于解析重構信號的飛控系統(tǒng)傳感器混合余度方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及飛行器控制技術領域，特別提供一種采用解析重構技術識別角速率傳 感器故障及重構角速率信號的方法。具體地說，是指一種基于解析重構信號的飛控系統(tǒng)傳 感器混合余度方法，是將解析重構信號與硬件余度系統(tǒng)組成為混合余度系統(tǒng)以提高傳感器 系統(tǒng)可靠性的方法。
【背景技術】
[0002] 為了提高飛行器測量系統(tǒng)的可靠性，現代飛行器的測量系統(tǒng)通常采用具有相同功 能的多余度傳感器用以測量同一被測量量。即在某一通道發(fā)生了測量故障后，余下通道的 測量信號仍能正常工作，確保系統(tǒng)有可以使用的有效信號為飛行控制系統(tǒng)提供用以控制律 解算的測量信號，保證飛行器的飛行性能或任務執(zhí)行力基本不變（或在一定程度上有所降 低，但可接受）。
[0003] 當前采用多硬件通道構成余度系統(tǒng)時，為了避免相同的硬件和軟件造成的共點故 障，余度系統(tǒng)往往使用完全不同的硬件和軟件組成非相似余度。但無論是相似余度還是非 相似余度，這種多套硬余度有一個本質弱點，即其基本平均無故障時間會隨著硬件余度的 增加而成倍下降。
[0004] 解析余度不需要增加硬件而是用解析的方法為飛行器傳感器提供余度。通常使用 現代控制理論中的最優(yōu)估計或人工智能的方法將傳感器的測量值估計出來。當某個傳感器 發(fā)生故障后，就用這個估計值代替測量值，使飛行控制律能夠正常解算，以保證飛行器的安 全飛行和任務可靠執(zhí)行。
[0005] 目前飛行器控制系統(tǒng)中直接參與控制律解算的傳感器通常采用硬件三余度或四 余度結構。當某一通道傳感器發(fā)生故障時，對于三余度或四余度傳感器系統(tǒng)，監(jiān)控表決器通 過少數服從多數原則，判斷故障通道，從而可以進一步隔離故障通道，此時原設計余度系統(tǒng) 余度等級降低。
[0006] 對于三余度監(jiān)控表決系統(tǒng)，當出現一次故障時，降為雙余度，如果再發(fā)生一次故 障，則出現1:1的情況，此時監(jiān)控表決系統(tǒng)無法判斷故障通道，飛控系統(tǒng)會切斷所有通道， 控制律失效，如圖1。因此，三余度監(jiān)控表決系統(tǒng)實際上只能實現一次故障/工作等級。對 于四余度系統(tǒng)，如果是故障單獨出現，可以實現二次故障/工作等級；而如果是兩個通道同 時故障，即出現2:2情況，監(jiān)控表決系統(tǒng)無法判斷故障通道，飛控系統(tǒng)會切斷所有通道，控 制律失效。因此，四余度系統(tǒng)實際上只能實現二次故障/工作等級或無故障/工作等級。由 此可知，單純硬件余度系統(tǒng)的故障/工作等級實際上是比較低的。
[0007] 采用進一步增加傳感器硬件余度的方法可以提高傳感器測量的可靠性，但這也直 接帶來一些不可忽視的缺點：
[0008] 1.增加了飛控系統(tǒng)和表決監(jiān)控系統(tǒng)的復雜性；
[0009] 2.增加傳感器硬件余度降低了飛控系統(tǒng)的平均無故障時間，并使得系統(tǒng)加工、裝 配、生產、維護的工作難度和工件量大大增加；
[0010] 3.增加了飛機的起飛重量和開發(fā)成本。
[0011] 因而，在這種情況下，如果有一個不增加飛行器開發(fā)費用、不增加飛行器后期維護 難度的解析余度信號作為傳感器系統(tǒng)的備份信號，在傳感器出現上述故障或在傳感器監(jiān)控 表決系統(tǒng)出現1:1或2:2的狀態(tài)下，這個備份信號能夠為飛行控制系統(tǒng)提供控制律解算所 需要的關鍵傳感器信息，保證解算出的控制律具有較高的準確性和可行性，從而使得飛行 器能夠安全飛行且具有一定程度的任務執(zhí)行力。
【發(fā)明內容】
[0012] 本發(fā)明提出一種基于解析重構信號的飛控系統(tǒng)傳感器混合余度方法，所述的混合 余度方法設計了解析重構信號，在當前傳感器系統(tǒng)正常工作情況下，解析重構信號僅作為 熱備份信號，不參與監(jiān)控表決系統(tǒng)的表決策略；一旦出現監(jiān)控表決系統(tǒng)的表決結果異常時， 啟動熱備份信號參與表決，監(jiān)控表決系統(tǒng)將各個傳感器測量值與這個解析重構信號進行比 較，并給出正確的測量值輸出。這樣，當硬件傳感器余度系統(tǒng)出現1:1或2:2情況時可以利 用解析重構信號協(xié)助判斷和隔離故障傳感器通道，在硬件傳感器余度系統(tǒng)全部故障時可以 提供一個近似正確的傳感器信號用于控制律解算，仍可以保證飛行器安全飛行。本發(fā)明提 供的混合余度方法可以使三余度或四余度系統(tǒng)都提高兩個故障/工作等級。
[0013] 本發(fā)明提供的所述的混合余度方法包括如下步驟：
[0014] 第一步，采集三余度傳感器系統(tǒng)的測量值。
[0015] 每個傳感器的測量值分別記為WX3，通過監(jiān)控表決系統(tǒng)，分為如下幾種情況進 行表決：
[0016](I)IX1-X2I<e，IX1-X3I<e，Ix2-X3I<e，同時成立，轉第二步；
[0017](2) |X「X2|彡e，|X「X3|彡e，IX2-X3I<e，測量值為X1的第一傳感器為故障 傳感器；出現一次傳感器故障，轉第三步；
[0018](3)IX1-X2I彡e，IX1-X3I<e，Ix2-X3I彡e，測量值為X2的第二傳感器為故障 傳感器；出現一次傳感器故障，轉第三步；
[0019](4)IX1-X2I<e，IX1-X3I彡e，Ix2-X3I彡e，測量值為X3的第三傳感器為故障 傳感器；出現一次傳感器故障，轉第三步；
[0020] 如果上述四種情況均不滿足，轉第四步；
[0021] 其中，e為傳感器容許閾值。
[0022] 第二步，監(jiān)控表決系統(tǒng)輸出三個測量值的中間值作為表決結果，傳感器狀態(tài)為無 故障傳感器；
[0023] 第三步，在當前傳感器系統(tǒng)發(fā)生一次傳感器故障后，監(jiān)控表決系統(tǒng)對故障傳感器 的故障通道進行隔離，解析重構信號與剩余通道信號組成混合三余度系統(tǒng)；
[0024] 假設測量值為X3的第三傳感器為故障傳感器（即第（4)中情況），故障通道隔離 后，監(jiān)控表決系統(tǒng)出現1:1的表決結果，因此此時需要引入第三個值即解析重構信號X3'， 參與到監(jiān)控表決系統(tǒng)，具體表決過程為：
[0025] 解析重構信號X3'與兩個正常的傳感器的測量值XJPX2組成混合三余度系統(tǒng)，分 如下幾種情況進行表決：
[0026] (a)IX1-X3/I<e且IX2-X3'I<e，則認為無故障傳感器，監(jiān)控表決系統(tǒng)輸出 X3'、XpX2中的中間值；
[0027] (b)IX1-X3/I彡￡且IX2-X3'I<e，測量值為&的第一傳感器為故障傳感器， 即出現二次傳感器故障，監(jiān)控表決系統(tǒng)輸出第二傳感器的測量值X2;
[0028] (c)IX1-X3'I< ￡且IX2-X3'I彡e，測量值為&的第二傳感器為故障傳感器， 即出現二次傳感器故障，監(jiān)控表決系統(tǒng)輸出第一傳感器的測量值X1;
[0029] 如果上述三種情況均不滿足，則轉第四步；
[0030] 第四步，三個傳感器均為故障傳感器，輸出解析重構信號X3'。
[0031] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0032] 本發(fā)明所述的采用解析余度處理飛控系統(tǒng)傳感器故障的方法，提高了單純依賴硬 件余度處理傳感器故障的能力，提高了傳感器系統(tǒng)的余度等級和故障/工作水平。本方法 在提高余度等級的同時沒有改變傳感器余度系統(tǒng)的平均無故障時間，由于采用解析余度， 后期的硬件維護難度也大大降低，如果可以保證解析信號的正確性，還可以適當降低傳感 器系統(tǒng)的硬件余度配置。
【附圖說明】
[0033] 圖1當前主流三余度監(jiān)控表決系統(tǒng)實現原理框圖；
[0034] 圖2為本發(fā)明提供的基于解析重構信號的飛控系統(tǒng)傳感器混合余度方法原理框 圖；
[0035] 圖3為本發(fā)明中混合余度算法流程圖；
[0036] 圖3a為本發(fā)明中混合余度方法中三余度傳感器系統(tǒng)無故障及發(fā)生一次故障時的 表決算法流程圖；
[0037] 圖3b為本發(fā)明中三余度傳感器系統(tǒng)一次故障后與解析重構信號組成混合三余度 系統(tǒng)的表決算法流程圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細地說明。
[0039] 本發(fā)明提供了一種基于解析重構信號的飛控系統(tǒng)傳感器混合余度方法，如圖2和 圖3所示，當傳感器系統(tǒng)無故障傳感器時，直接通過監(jiān)控表決系統(tǒng)（包括比較器和表決器） 輸出傳感器狀態(tài)和表決結果；對于三余度傳感器系統(tǒng)，當出現一次傳感器故障，監(jiān)控表決系 統(tǒng)可以實現對傳感器故障隔離，當三余度傳感器發(fā)生二次故障時，監(jiān)控表決系統(tǒng)的表決結 果為1:1，此時僅僅通過原有的監(jiān)控表決系統(tǒng)不能識別出故障傳感器，因此采用本發(fā)明提供 的混合余度方法，利用解析重構信號，組成三余度系統(tǒng)實現表決結果和傳感器狀態(tài)的輸出； 當四余度傳感器系統(tǒng)出現2:2的表決結果時，也要采用本發(fā)明提供的混合余度方法提供解 析重構信號輔助表決結果。下面以三余度傳感器系統(tǒng)為例詳細給出本發(fā)明提供的混合余度 方法，