[发明专利]一种基于扩展状态观测器的飞机机电作动系统故障检测方法

说明书

本发明公开了一种基于扩展状态观测器的飞机机电作动系统故障检测方法。它包括以下步骤：A、飞机机电作动系统非线性模型的建立：基于飞机机电作动系统的作动机理及结构特性，将系统非线性因素和输入未知干扰转化为系统的动态模型；B、基于扩展状态观测器的阈值进行故障检测方法的设计：扩展状态观测器生成复合干扰的估计值，实现对复合干扰的估计，对故障误差的检测，确保干扰观测误差的有界性。优点是：不仅可以生成包含输入扰动和非线性因素在内的复合扰动的估计，而且可以有效地检测系统中的故障，所采用的故障检测方法不仅对系统非线性影响和未知干扰具有良好的鲁棒性，而且能够准确地检测系统故障，及时降低误报率。

技术领域

本发明涉及一种具有强非线性和未知干扰的飞机机电作动系统故障检测设计，具体地说是一种基于扩展状态观测器的飞机机电作动系统故障检测方法。

背景技术

飞机机电作动系统是一种随着多电飞机的发展和电传飞控技术的成熟，在民用飞机中逐渐得到广泛应用的新型作动系统，具有响应迅速、重量轻体积小、结构简单便于维护的特点，是功率电传应用于新型民用客机的典型特征之一和发展方向，飞机机电作动系统已经作为新型作动系统的关键技术，应用于波音787的水平安定面的配平作动和A380的扰流板作动，对民用客机作动器的革新发展以及作动器的技术进步产生重大的影响。

飞机机电作动系统作为飞行操纵系统中的安全-关键元件，必须满足适航规章高可靠性的要求，但是，飞机机电作动系统作为应用于民用飞机的新型作动形式，其系统结构复杂，故障机理多样，尚未有足够长的运行时间与足够大的数据积累得到可靠的故障统计数据，是制约系统可靠性提升的重要障碍；其中，采用基于模型的故障检测方法，不仅能够减少备份通道和冗余硬件的使用，降低维护成本，而且能够及时、准确的检测出故障来源，降低故障影响，有效提到系统的可靠性；然而，飞机机电作动系统是复杂的机电一体化系统，故障机理复杂多样，并且具有摩擦、间隙、磁链变化等多种非线性因素，影响故障特征和检测残差的获取，为提高故障检测的准确性增加难度，并且作动系统的负载输入随飞机姿态和飞行状态实时改变，存在未知输入干扰，系统输入有很强的不确定性，这干扰了故障检测的精确性和鲁棒性，以上这些因素影响了系统的故障检测研究的开展，总体来说，故障检测方法存在的局限体现在以下几个方面：(1)故障检测方法通常基于系统的信号进行处理，然而在飞机高速运动过程中，飞机姿态与环境输入的改变，使得采用该方法处理的某一信号突然变化，误报警率比较高；(2)基于模型的故障检测方法仅考虑了系统的线性特征，然而针对机电一体化复杂的飞机机电作动系统，建模误差不可避免；(3)基于模型的故障检测方法研究对象通常为系统本身，并未考虑系统的未知输入干扰，在故障检测中存在误差，误报警率较高。

发明内容

针对系统存在的强非线性因素和未知输入干扰，故障检测的不确定性和复杂性，本发明要解决的技术问题是提供一种能够降低误报警率，有效提高系统可靠性的基于扩展状态观测器的飞机机电作动系统故障检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明的基于扩展状态观测器的飞机机电作动系统故障检测方法，包括以下步骤：

A、飞机机电作动系统非线性模型的建立：基于飞机机电作动系统的作动机理及结构特性，将系统非线性因素和未知输入干扰转化为系统的动态模型；

B、基于扩展状态观测器的阈值故障检测方法设计：扩展状态观测器生成复合干扰的估计值，实现对复合干扰的估计，对故障误差的检测，确保干扰观测误差的有界性。

通过使用干扰观测误差来设计故障阈值以检测系统故障。

所述飞机机电作动系统包括作动器电子控制装置、无刷直流电机、机械传动装置和传感器，所述步骤A中，作动器电子控制装置接收飞控计算机的指令并控制无刷直流电机旋转，机械传动装置将驱动电机的旋转输入转换为滚珠丝杠的线性输出，驱动舵面运动。

所述步骤A中，系统电压方程为：

系统动力学方程为：