一种故障检测与隔离系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种故障检测与隔离系统及方法。所述系统及方法通过引入主动监督模块来监控FDI系统输出的故障发生概率，当所述故障发生概率大于故障发生概率门限值时，所述主动监督模块在所述执行器上施加一个外加激励信号，若施加该外加激励信号后，执行器控制量的测量值无变化，则说明该执行器确实故障，因此可以很快确认执行器的故障情况；若施加该外加激励信号后，执行器控制量的测量值与正常情况下的测量值不一致，则说明该执行器未故障。采用本发明专利技术提供的故障检测与隔离系统及方法，能够解决冗余执行器故障造成的诊断模糊和虚警问题，并且提高故障检测速度和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种故障检测与隔离系统及方法
本专利技术涉及故障诊断
，特别是涉及一种故障检测与隔离系统及方法。
技术介绍
故障检测与隔离(Faultdetectionandisolation，FDI)在许多工程应用领域都是一个重要的、具有挑战性的问题，在航空和航天工程领域中，虽然飞行系统是由高水平的冗余容错硬件故障和软件故障建立起来的，鲁棒故障诊断系统仍然用于监测器和飞机的飞行安全评估。在某些情况下，如果一个故障能快速的检测和识别出来，那么就可以采取合适的重构控制行动。故障隔离指的是航空器在实时工作环境下，分别判定系统或设备的各部分分系统的正常工作状态，缩小到最后来判定有故障的分系统或某部分的技术措施。当涵道式陆空车辆执行器突发故障时，特别是在冗余执行器故障时，如果假设执行器i出现了故障，且执行器j是它的冗余执行器，此时执行器i的实际输出值的期望控制量被作为执行器j的无迹卡尔曼滤波器(UnscentedKalmanFilter，UKF)的一个输入量。因此，执行器j偏转量的估计值会受到故障执行器i的干扰，滤波器j输出的故障概率在一定程度上受到影响，进而产生诊断模糊或者虚警。一般的基于模型的故障诊断方法是首先计算出残差，并对残差进行处理，从而判断出是否出现故障，该故障诊断方法对于冗余执行器出现故障的情况，很容易出现诊断模糊和模糊诊断问题，并且故障检测速度慢。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种故障检测与隔离系统及方法，能够解决冗余执行器故障造成的诊断模糊和虚警问题，并且提高故障检测速度。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种故障检测与隔离系统，所述系统包括：依次连接的无迹卡尔曼UKF滤波器、条件概率计算模块和主动监督模块；所述UKF滤波器具体包括无故障执行器UKF滤波器和故障执行器UKF滤波器；所述无故障执行器UKF滤波器的输入为六个执行器控制量的期望值及六个执行器控制量的测量值；所述六个执行器分别为涵道式陆空车辆的前、后两个主涵道，左、右两个副涵道，以及分别位于前、后主涵道气流出口处的两对偏航控制舵面；所述无故障执行器UKF滤波器的输出为六个执行器控制量的估计值、状态误差协方差矩阵以及残差；所述故障执行器UKF滤波器的输入为五个执行器控制量的期望值及五个执行器控制量的测量值；所述五个执行器为所述六个执行器中除去故障执行器以外其余的五个执行器；所述故障执行器UKF滤波器的输出为所述五个执行器控制量的估计值、状态误差协方差矩阵、残差以及故障的执行器控制量；所述条件概率计算模块的输入为所述UKF滤波器的输出；所述条件概率计算模块用于根据所述状态误差协方差矩阵和所述残差计算所述执行器的故障发生概率；所述主动监督模块用于根据所述故障发生概率生成外加激励信号，并根据所述外加激励信号确定所述执行器是否发生故障。可选的，所述条件概率计算模块具体包括：条件概率计算单元，用于采用公式计算执行器的故障发生概率；其中p[y＝yk|(σ＝σi，Yk-1)]表示执行器i的故障发生概率，yk表示k时刻的测量数据；Yk-1表示k-1时刻的测量数据；ri为执行器i的残差；Si为执行器i的状态误差协方差矩阵；ri[k]表示k时刻执行器i的残差；Si[k]表示k时刻执行器i的状态误差协方差矩阵；m为执行器控制量的测量值的维数。可选的，所述主动监督模块具体包括：外加激励信号施加子模块，用于根据所述故障发生概率对所述执行器施加外加激励信号；故障确定子模块，用于根据所述外加激励信号确定所述执行器是否发生故障。可选的，所述外加激励信号施加子模块具体包括：第一判断单元，用于判断所述故障发生概率是否大于故障发生概率门限值，获得第一判断结果；外加激励信号施加单元，用于当所述第一判断结果为所述故障发生概率大于故障发生概率门限值时，在所述执行器上施加一个外加激励信号。可选的，所述故障确定子模块具体包括：激励后测量值获取单元，用于获取所述执行器施加所述外加激励信号后，该执行器控制量的激励后测量值；第二判断单元，用于判断所述激励后测量值与未施加所述外加激励信号时的所述测量值是否相同，获得第二判断结果；故障确定单元，用于当所述第二判断结果为所述激励后测量值与所述测量值相同时，确定所述执行器发生故障；故障排除单元，用于当所述第二判断结果为所述激励后测量值与所述测量值不相同时，确定所述执行器未发生故障。本专利技术还提供一种故障检测与隔离方法，所述故障检测与隔离方法应用于所述故障检测与隔离系统，所述方法包括：获取执行器控制量的期望值和执行器控制量的测量值；根据所述期望值和所述测量值生成执行器控制量的估计值、状态误差协方差矩阵以及残差；根据所述状态误差协方差矩阵和所述残差计算执行器的故障发生概率；根据所述故障发生概率对所述执行器施加外加激励信号；根据所述外加激励信号确定所述执行器是否发生故障。可选的，所述根据所述状态误差协方差矩阵和所述残差计算执行器的故障发生概率，具体包括：采用公式计算执行器的故障发生概率；其中p[y＝yk|(σ＝σi，Yk-1)]表示执行器i的故障发生概率，yk表示k时刻的测量数据；Yk-1表示k-1时刻的测量数据；ri为执行器i的残差；Si为执行器i的状态误差协方差矩阵；ri[r]表示k时刻执行器i的残差；Si[k]表示k时刻执行器i的状态误差协方差矩阵；m为执行器控制量的测量值的维数。可选的，所述根据所述故障发生概率对所述执行器施加外加激励信号，具体包括：判断所述故障发生概率是否大于故障发生概率门限值，获得第一判断结果；若所述第一判断结果为所述故障发生概率大于故障发生概率门限值，则所述主动监督模块在所述执行器上施加一个外加激励信号；若所述第一判断结果为所述故障发生概率不大于故障发生概率门限值，所述主动监督模块无动作。可选的，所述根据所述外加激励信号确定所述执行器是否发生故障，具体包括：获取所述执行器施加所述外加激励信号后，该执行器控制量的激励后测量值；判断所述激励后测量值与未施加所述外加激励信号时的所述测量值是否相同，获得第二判断结果；若所述第二判断结果为所述激励后测量值与所述测量值相同，确定所述执行器发生故障；若所述第二判断结果为所述激励后测量值与所述测量值不相同，确定所述执行器未发生故障。可选的，所述根据所述故障发生概率对所述执行器施加外加激励信号的步骤之后，还包括：经过预设时间后，计算所述执行器施加外加激励信号后的故障发生概率；判断所述执行器施加外加激励信号后的故障发生概率是否低于预设故障概率门限值，获得第三判断结果；若所述第三判断结果为所述执行器施加外加激励信号后的故障发生概率低于预设故障概率门限值，所述主动监督模块取消施加所述外加激励信号。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供一种故障检测与隔离系统及方法，所述系统及方法通过引入主动监督模块来监控FDI系统输出的故障发生概率，当所述故障发生概率大于故障发生概率门限值时，所述主动监督模块在所述执行器上施加一个外加激励信号，若施加该外加激励信号后，执行器控制量的测量值无变化，则说明该执行器确实故障，因此可以很快确认执行器的故障情况；若施加该外加激励信号后，执行器控制量的测量值与正常情况下的测量值不一致，则说明该执行器未故障。采用本专利技术提供的故障检测与隔离系统及方法，能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种故障检测与隔离系统，其特征在于，所述系统包括：依次连接的无迹卡尔曼UKF滤波器、条件概率计算模块和主动监督模块；所述UKF滤波器具体包括无故障执行器UKF滤波器和故障执行器UKF滤波器；所述无故障执行器UKF滤波器的输入为六个执行器控制量的期望值及六个执行器控制量的测量值；所述六个执行器分别为涵道式陆空车辆的前、后两个主涵道，左、右两个副涵道，以及分别位于前、后主涵道气流出口处的两对偏航控制舵面；所述无故障执行器UKF滤波器的输出为六个执行器控制量的估计值、状态误差协方差矩阵以及残差；所述故障执行器UKF滤波器的输入为五个执行器控制量的期望值及五个执行器控制量的测量值；所述五个执行器为所述六个执行器中除去故障执行器以外其余的五个执行器；所述故障执行器UKF滤波器的输出为所述五个执行器控制量的估计值、状态误差协方差矩阵、残差以及故障的执行器控制量；所述条件概率计算模块的输入为所述UKF滤波器的输出；所述条件概率计算模块用于根据所述状态误差协方差矩阵和所述残差计算所述执行器的故障发生概率；所述主动监督模块用于根据所述故障发生概率生成外加激励信号，并根据所述外加激励信号确定所述执行器是否发生故障。...

【技术特征摘要】
1.一种故障检测与隔离系统，其特征在于，所述系统包括：依次连接的无迹卡尔曼UKF滤波器、条件概率计算模块和主动监督模块；所述UKF滤波器具体包括无故障执行器UKF滤波器和故障执行器UKF滤波器；所述无故障执行器UKF滤波器的输入为六个执行器控制量的期望值及六个执行器控制量的测量值；所述六个执行器分别为涵道式陆空车辆的前、后两个主涵道，左、右两个副涵道，以及分别位于前、后主涵道气流出口处的两对偏航控制舵面；所述无故障执行器UKF滤波器的输出为六个执行器控制量的估计值、状态误差协方差矩阵以及残差；所述故障执行器UKF滤波器的输入为五个执行器控制量的期望值及五个执行器控制量的测量值；所述五个执行器为所述六个执行器中除去故障执行器以外其余的五个执行器；所述故障执行器UKF滤波器的输出为所述五个执行器控制量的估计值、状态误差协方差矩阵、残差以及故障的执行器控制量；所述条件概率计算模块的输入为所述UKF滤波器的输出；所述条件概率计算模块用于根据所述状态误差协方差矩阵和所述残差计算所述执行器的故障发生概率；所述主动监督模块用于根据所述故障发生概率生成外加激励信号，并根据所述外加激励信号确定所述执行器是否发生故障。2.根据权利要求1所述的故障检测与隔离系统，其特征在于，所述条件概率计算模块具体包括：条件概率计算单元，用于采用公式计算执行器的故障发生概率；其中p[y＝yk|(σ＝σi，Yk-1)]表示执行器i的故障发生概率，yk表示k时刻的测量数据；Yk-1表示k-1时刻的测量数据；ri为执行器i的残差；Si为执行器i的状态误差协方差矩阵；ri[k]表示k时刻执行器i的残差；Si[k]表示k时刻执行器i的状态误差协方差矩阵；m为执行器控制量的测量值的维数。3.根据权利要求1所述的故障检测与隔离系统，其特征在于，所述主动监督模块具体包括：外加激励信号施加子模块，用于根据所述故障发生概率对所述执行器施加外加激励信号；故障确定子模块，用于根据所述外加激励信号确定所述执行器是否发生故障。4.根据权利要求3所述的故障检测与隔离系统，其特征在于，所述外加激励信号施加子模块具体包括：第一判断单元，用于判断所述故障发生概率是否大于故障发生概率门限值，获得第一判断结果；外加激励信号施加单元，用于当所述第一判断结果为所述故障发生概率大于故障发生概率门限值时，在所述执行器上施加一个外加激励信号。5.根据权利要求4所述的故障检测与隔离系统，其特征在于，所述故障确定子模块具体包括：激励后测量值获取单元，用于获取所述执行器施加所述外加激励信号后，该执行器控制量的激励后测量值；第二判断单元，用于判断所述激励后测量值与未施加所述外加激励信号时的所述测量值是否相同，获得第二判断结果；故障确定单元，用于当所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：马越，项昌乐，林露，刘力源，阮书敏，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11