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基于观测器设计的双旋翼直升机故障诊断方法分析.pdf

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万方数据承诺书 本人声明所呈交的 硕 士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名 日 期 万方数据南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 本文以 三自由度双旋翼直升机 为研究对象, 以状态观测器技术为基础 研究了三自由度双旋翼直升机在 发生执行器故障时的故障诊断方法。 首先,介绍本课题的研究背景、目的及意义,系统地阐述了 动态系统 故障 和故障 诊断的概念, 并 对基于观测器的故障诊断方法进行了总结,最后给出本文的主要研究内容。 接着 简要介绍了纵列式双旋翼直升机的结构特点和操纵原理,描述了三自由度双旋翼直升机仿真平台软硬件组成,建立了它的线性和非线性数学模型, 然后分析其 线性模型的 开环特性,为 基于观测器的 故障诊断方法 提供数学模型。 其 次,基于自适应观测器 设计 了一种针对线性系统 多执行器卡死故障 的 诊断方案 , 提出了一种基于 鲁棒 H? 性能指标 设计的鲁棒快速自适应 故障 估计算法 ,并在此故障估计算法 基础上引入 多模型 故障检测 方法 使得系统发生多执行器卡死故障时能够达到故障 估计和 定位的目的。 然后 , 针对满足 Lipschitz 条件的 仿射 非线性系统设计了一个 基于自适应滑模观测器的故障诊断方法,该方法在系统执行器发生时变 故障时依然能保证误差系统的稳定,同时 故障估计误差趋于一个很小的范围, 进而 考虑 当非线性系统不满足观 测器匹配条件时,基于微分几何的知识通过构造辅助输出的方法来设计故障诊断方法 。 最后,将本文提出的 故障诊断 方法应用于三自由度 双旋翼 直升机 半物理 仿真 平台 , 针对三自由度 双旋翼 直升机 控制系统 模型, 设计 故障 诊断模块, 数字仿真和 半物理 仿真都 证明了所提方法的有效性和可行性 。 关键词 三自由度双旋翼 直升机, 飞行控制系统, 故障诊断, 自适应观测器, 滑模观测器 , 观测器匹配条件 万方数据基于观测器 设计 的双旋翼直升机故障诊断方法研究 II Abstract The research object is a three degree of freedom 3-DOF twin-rotor helicopter. In this paper, several fault diagnosis FD s, based on state observer technology, are designed for the 3-DOF twin-rotor helicopter. Firstly, the research’s background, purpose and meaning are surveyed, also the concept of fault and the background of FD are described. The control principles of the tandem twin-rotor helicopter are discussed and the dynamic model of 3-DOF twin-rotor helicopter is built. The software and hardware of 3-DOF twin-rotor helicopter semi-physical plat are introduced. The open loop characteristic and closed loop characteristic of the system are analyzed to provide a basis for the FD s in next chapters. Secondly, this paper deals with the problem of fault diagnosis for a linear system with multiple actuator faults, and proposes a robust fast adaptive fault estimation algorithm based on robust H? perance. For the case of multiple faults, the is developed based on a suitable combination of multiple model and adaptive observer. Then an adaptive sliding mode observer based FD is proposed for a Lipschitz nonlinear system. The FD scheme can ensure that estimation errors of the fault and the state are bounded no matter the fault is constant or it is time-varying. Then condidering that the observer matching condition is not satisfied, an auxiliary output vector is constructed using the knowledge of Differential geometry so that the observer matching condition is satisfied. Finally, the proposed FD s in this paper are applied to the 3-DOF twin-rotor helicopter semi-physical plat. For the 3-DOF helicopter control system model, the FD module is designed, and the MALTAB numerical simulation and the semi-physical simulation results indicate that the proposed FD s are feasible and effective. Keywords 3-DOF Twin-rotor Helicopter, Flight Control Systems, Fault Diagnosis, Adaptive Observer, Sliding Mode Observer, Observer Matching Condition 万方数据南京航空航天大学硕士学位论文 III 目 录 第一章 绪论 .............................................................................................................................................. 1 1.1 研究背景与意义 .............................................................................................................................. 1 1.2 直升机动态系统的故障诊断 ........................................................................................................... 2 1.2.1 故障的概念与分类 ........................................................................................................... 2 1.2.2 故障诊断技术的发展与分析 ........................................................................................... 4 1.2.3 基于观测器的故障诊断方法 ........................................................................................... 6 1.3 本文的主要研究工作 ....................................................................................................................... 8 1.4 本章小结 .......................................................................................................................................... 9 第二章 三自由度双旋翼直升机控制系统建模分析 ............................................................................. 10 2.1 纵列式双旋翼直升机 ..................................................................................................................... 10 2.1.1 纵列式双旋翼直升机结构特点 ..................................................................................... 10 2.1.2 纵列式双旋翼直升机操作原理 ..................................................................................... 11 2.2 三自由度双旋翼直升机半物理仿真平台 ..................................................................................... 14 2.2.1 三自由度双旋翼直升机半物理仿真平台软硬件组成 ................................................. 14 2.2.2 三自由度双旋翼直升机控制系统建模 ......................................................................... 17 2.2.3 三自由度双旋翼直升机线性模型分析 ......................................................................... 20 2.3 本章小结 ........................................................................................................................................ 22 第三章 基于自适应观测器的多执行器卡死故障诊断 ......................................................................... 23 3.1 执行器卡死故障系统描述 ............................................................................................................. 23 3.2 鲁棒快速自适应故障估计方法 ..................................................................................................... 24 3.2.1 系统描述 ......................................................................................................................... 24 3.2.2 故障估计算法设计 ......................................................................................................... 24 3.2.3 稳定性证明 ..................................................................................................................... 25 3.3 多模型故障诊断方法 ..................................................................................................................... 26 3.3.1 多模型问题描述 ............................................................................................................. 26 3.3.2 多模型故障诊断方法 ..................................................................................................... 28 3.4 仿真与分析 .................................................................................................................................... 29 3.4.1 故障诊断数字仿真 ......................................................................................................... 30 3.4.2 故障诊断半物理仿真 ..................................................................................................... 32 万方数据基于观测器 设计 的双旋翼直升机故障诊断方法研究 IV 3.5 本章小结 ......................................................................................................................................... 34 第四章 基于自适应滑 模观测器的执行器时变故障诊断 ..................................................................... 35 4.1 系统描述 ......................................................................................................................................... 35 4.2 基于自适应滑模观测器的故障诊断方法 ..................................................................................... 36 4.2.1 自适应 滑模观测器设计 ................................................................................................. 36 4.2.2 稳定性证明 ..................................................................................................................... 37 4.3 仿真与分析 ..................................................................................................................................... 38 4.3.1 故障诊断数字仿真 ......................................................................................................... 39 4.3.2 故障诊断半物理仿真 ..................................................................................................... 41 4.4 本章小结 ......................................................................................................................................... 42 第五章 相对阶大于 1 的非线性系统执行器故障诊断 ......................................................................... 43 5.1 微分几何基本知识 ......................................................................................................................... 43 5.2 三自由度双旋翼直升机非线性模型分析 ..................................................................................... 44 5.3 基于构造辅助输出的执行器故障诊断 ......................................................................................... 45 5.3.1 构造辅助输出的故障诊断方法 ..................................................................................... 45 5.3.2 辅助输出的估计 ............................................................................................................. 46 5.4 仿真分析 ......................................................................................................................................... 47 5.5 本章小结 ......................................................................................................................................... 51 第六章 总结与展望 ................................................................................................................................. 52 6.1 全文的主要工作和创新点 ............................................................................................................. 52 6.2 后续研究工作展望 ......................................................................................................................... 53 参考文献 ................................................................................................................................................... 55 致 谢 ......................................................................................................................................................... 60 在学期间的研究成果及发表的 学术论文 ............................................................................................... 61 万方数据南京航空航天大学硕士学位论文 V 图表清单 图 1.1 CH-47支奴干 ‖运输直升机 ....................................................................................................... 2 图 1.2 按控制系统故障发生的部位分类 ............................................................................................. 3 图 1.3 按故障的性质分类 ..................................................................................................................... 4 图 1.4 按故障的建模方式分类 ............................................................................................................. 4 图 1.5 故障诊断方法分类 ..................................................................................................................... 6 图 1.6 基于状态观测器的故障诊断方法结构图 ................................................................................. 7 图 2.1 纵列式双旋翼直升机 ............................................................................................................... 11 图 2.2 自动倾斜器结构示意图 ........................................................................................................... 11 图 2.3 纵列式双旋翼直升机垂向操纵示意图 ................................................................................... 12 图 2.4 纵列式双旋翼直升机纵向操纵示意图 .................................................................................... 12 图 2.5 纵列式双旋翼直升机横向操纵示意图 ................................................................................... 13 图 2.6 纵列式双旋翼直升机航向操纵示意图 .................................................................................... 13 图 2.7 三自由度双旋翼直升机半物理仿真平台 ............................................................................... 14 图 2.8 三自由度双旋翼直升机半物理仿真平台硬件组成 ............................................................... 15 图 2.9 三自由度双旋翼直升机的简化模型图 ................................................................................... 17 图 2.10 升降轴模型 ............................................................................................................................ 18 图 2.11 俯仰轴模型 ............................................................................................................................. 18 图 2.12 航向轴模型 ............................................................................................................................ 19 图 2.13 期望角度和实际角度曲线 ..................................................................................................... 21 图 3.1 多模型故障诊断结构图 ........................................................................................................... 27 图 3.2 基于本章提出方法的后推进器故障估计 ............................................................................... 31 图 3.3 基于文献 [58]中方法的后推进器故障估计 ............................................................................. 31 图 3.4 后推进器发生卡死故障时 各个模型的性能指标 ................................................................... 32 图 3.5 仿真图 3.4 中各性能指标在 0-10s 时的曲线 ......................................................................... 32 图 3.6 基于本章提出方法的后推进器实时故障估计 ........................................................................ 33 图 3.7 基于文献 [58]中方法的后推进器实时故障估计 ..................................................................... 34 图 4.1 执行器常值故障估计曲线 ....................................................................................................... 40 图 4.2 执行器时变故障估计曲线 ....................................................................................................... 41 图 4.3 后推进器真实故障曲线 ........................................................................................................... 42 图 4.4 后推进器故障估计曲线 ........................................................................................................... 42 图 5.1 辅助输出的估计 ....................................................................................................................... 48 图 5.2 采用辅助输出系统的故障诊断 ............................................................................................... 49 图 5.3 假设辅助输出可测的系统的故障诊断 ................................................................................... 49 图 5.4 考虑干扰时辅助输出和其真值的误差曲线 ........................................................................... 50 图 5.5 考虑干扰时采用辅助输出系统的故障诊断 ........................................................................... 50 图 5.6 考虑干扰时假设辅助输出可测的系统的故障诊断 ............................................................... 51 万方数据基于观测器 设计 的双旋翼直升机故障诊断方法研究 VI 表 1.1 故障分类方法 ............................................................................................................................. 3 表 2.1 三自由度双旋翼直升机半物理仿真平台硬件组成 ............................................................... 15 万方数据南京航空航天大学硕士学位论文 VII 注释表 符号 符号的含义 符号 符号的含义 ? 升降角 p 俯仰角 ? 航向角 eJ 升降 轴 转动惯量 pJ 俯仰轴 转动惯量 tJ 航向轴
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