本發(fā)明涉及一種無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的故障可分離性評(píng)價(jià)方法，用于評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中執(zhí)行器故障和傳感器故障實(shí)現(xiàn)故障分離的難易程度，屬于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)故障分離
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：無(wú)人機(jī)在現(xiàn)代偵察、工程測(cè)繪和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，具有較為可觀的軍用與民用前景。無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行或半自主飛行的控制系統(tǒng)，對(duì)穩(wěn)定和控制無(wú)人機(jī)姿態(tài)、管理無(wú)人機(jī)完成任務(wù)起到至關(guān)重要的作用。無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中易受復(fù)雜環(huán)境因素的影響，飛行控制系統(tǒng)不可避免會(huì)發(fā)生故障，易導(dǎo)致無(wú)人機(jī)難以完成任務(wù)，甚至造成無(wú)人機(jī)墜毀事故。目前對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障檢測(cè)的研究已取得大量成果，但無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障分離算法的設(shè)計(jì)以及故障可分離性分析尚待進(jìn)一步研究。一方面，在無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段若不考慮故障可分離性，易導(dǎo)致設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)故障分離，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)無(wú)法及時(shí)修復(fù)故障；另一方面，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中執(zhí)行器故障和傳感器故障缺乏統(tǒng)一的故障可分離性定量指標(biāo)，難以定量評(píng)價(jià)不同故障分離的難易程度，因此對(duì)無(wú)人機(jī)故障可分離性評(píng)價(jià)的研究至關(guān)重要。目前，對(duì)于系統(tǒng)故障分離難易程度的評(píng)價(jià)問(wèn)題，大多數(shù)研究成果根據(jù)控制輸入與量測(cè)輸出的冗余關(guān)系定性評(píng)價(jià)故障可分離性。王振西等所撰論文“基于系統(tǒng)冗余關(guān)系的可診斷性方法研究[J].航天控制,2013,31(6):10-16,26”利用故障變量能否引起輸出變量變化構(gòu)造關(guān)聯(lián)矩陣，利用關(guān)聯(lián)矩陣分析故障可分離性，但該方法僅能定性判斷系統(tǒng)中不同故障能否分離，不能定量評(píng)價(jià)故障分離的難易程度，且未能考慮未知輸入對(duì)故障分離的影響。王大軼等所撰專利“一種噪聲影響下航天器控制系統(tǒng)可診斷性確定方法[P].中國(guó),201410827895.6”利用等價(jià)空間方法產(chǎn)生故障診斷殘差，將故障可分離性的評(píng)價(jià)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為殘差向量距離相似度判別問(wèn)題或方向相似度判別問(wèn)題，但該方法僅能定量評(píng)價(jià)殘差在距離或方向上的差異，未能綜合評(píng)價(jià)殘差向量在距離和方向上的差異。總之，現(xiàn)有故障可分離性評(píng)價(jià)方法僅能定量評(píng)價(jià)不同故障引起的殘差向量在距離上的差異或方向上的差異，尚未有文獻(xiàn)或?qū)＠岢龅墓收峡煞蛛x性評(píng)價(jià)方法能夠綜合評(píng)價(jià)殘差向量在距離和方向上的差異并將定性方法和定量方法相結(jié)合，故障可分離性評(píng)價(jià)方法有待深入研究。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障分離的難易程度，利用等價(jià)空間中不同故障引起的故障診斷殘差向量的余弦距離建立故障分離條件；利用殘差向量的相似度定量評(píng)價(jià)故障分離的難易程度，將模式識(shí)別中距離相似度和方向相似度相結(jié)合，提出一種改進(jìn)故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用故障分離條件和故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)故障可分離性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的故障可分離性評(píng)價(jià)方法，包括下列步驟：步驟1：根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)原理，建立無(wú)人機(jī)線性離散定常飛行控制系統(tǒng)模型如下：x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)+Bdd(k)+Bff(k)y(k)=Cx(k)+Du(k)+Ddd(k)+Dff(k)]]>其中，分別為狀態(tài)變量、控制輸入變量、輸出變量、未知輸入變量和故障變量，根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和飛行環(huán)境確定；nx、nu、ny、nd、nf分別為x(k)、u(k)、y(k)、d(k)、f(k)的維數(shù)，k表示采樣時(shí)刻，分別表示所有nx、nu、ny、nd、nf維實(shí)數(shù)向量；d(k)包括噪聲、大氣擾動(dòng)以及模型不確定性，假設(shè)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中未知輸入變量為線性互不相關(guān)的零均值高斯隨機(jī)向量表示均值為0、協(xié)方差矩陣為Λd的高斯隨機(jī)分布，0表示零矩陣或零向量，Λd為d的協(xié)方差矩陣；無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中故障變量f為l2范數(shù)有界的確定性加性故障，且fi(k),1≤i≤nf為故障變量f(k)的第i個(gè)分量，fi(k)≠0表示某執(zhí)行器或傳感器發(fā)生故障；A、B、C、D分別為無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的系統(tǒng)矩陣、輸入矩陣、輸出矩陣和傳輸矩陣，根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定；Bf、Df為根據(jù)系統(tǒng)故障f類型確定的已知矩陣或向量，Bd、Dd為根據(jù)系統(tǒng)未知輸入d類型確定的已知矩陣或向量；步驟2：根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和計(jì)算能力，確定等價(jià)空間階數(shù)表示所有正整數(shù)，由步驟1所述的無(wú)人機(jī)線性離散定常飛行控制系統(tǒng)控制輸入變量u(k)和輸出變量y(k)的冗余關(guān)系，在等價(jià)空間中構(gòu)建無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的等價(jià)方程；步驟3：對(duì)步驟2所述的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的等價(jià)空間中等價(jià)方程進(jìn)行等價(jià)變換，根據(jù)未知輸入d和無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差產(chǎn)生器；步驟4：根據(jù)步驟3所述的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差產(chǎn)生器計(jì)算未知輸入d引起的殘差向量rd和不同故障fi引起的標(biāo)稱殘差向量rfi,1≤i≤nf，根據(jù)rd、rfi計(jì)算不同故障fi引起的殘差向量ri,1≤i≤nf；步驟5：根據(jù)步驟4所述的不同故障引起的標(biāo)稱殘差向量rfi，建立故障fi的故障檢測(cè)條件，依次判斷各故障能否滿足故障檢測(cè)條件，得到無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中可檢測(cè)故障表示無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的可檢測(cè)故障數(shù)；步驟6：根據(jù)步驟3所述的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差產(chǎn)生器和等價(jià)空間中未知輸入變量ds的概率分布，計(jì)算未知輸入d引起的殘差向量rd的概率分布，根據(jù)rd的概率分布計(jì)算步驟5所述的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)可檢測(cè)故障引起的殘差向量的概率分布；步驟7：若無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中故障均不可檢測(cè)或可檢測(cè)故障數(shù)則系統(tǒng)中不含待分離故障對(duì)；若可檢測(cè)故障數(shù)將無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中任意兩個(gè)可檢測(cè)故障構(gòu)造待分離故障對(duì)；步驟8：從第一組待分離故障對(duì)開(kāi)始，根據(jù)步驟7所述的待分離故障對(duì)中故障引起的殘差向量和標(biāo)稱殘差向量的方向差異，依次建立待分離故障對(duì)的故障分離條件，判斷待分離故障對(duì)能否滿足故障分離條件；步驟9：若待分離故障對(duì)滿足步驟8所述的故障分離條件，計(jì)算待分離故障對(duì)的改進(jìn)故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷是否全部待分離故障對(duì)分析完畢，若是，則故障可分離性定量評(píng)價(jià)結(jié)束，否則回到步驟8繼續(xù)計(jì)算，直至全部待分離故障對(duì)故障可分離性評(píng)價(jià)完畢。其中，步驟2中所述的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)在等價(jià)空間中的等價(jià)方程的具體求解方法為：首先，根據(jù)等價(jià)空間階數(shù)s，在等價(jià)空間中構(gòu)建無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的等價(jià)方程如下：ys(k)-Husus(k)＝Hosx(k-s)+Hdsds(k)+Hfsfs(k)其中，ys(k)、us(k)、ds(k)、fs(k)分別表示y(k)、u(k)、d(k)、f(k)在等價(jià)空間中的輸出變量、控制輸入變量、未知輸入變量和故障變量；分別表示所有(ny·(s+1))×(nu·(s+1))、(ny·(s+1))×(nd·(s+1))、(ny·(s+1))×(nf·(s+1))、(ny·(s+1))×nx維實(shí)數(shù)矩陣，分別表示所有nu·(s+1)、nd·(s+1)、nf·(s+1)、ny·(s+1)維實(shí)數(shù)向量。其中，步驟3所述的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差產(chǎn)生器的具體設(shè)計(jì)方法為：首先對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的等價(jià)方程進(jìn)行等價(jià)變換，在等價(jià)方程等式兩端左乘矩陣Hos的左零矩陣Ns，即NsHos＝0，得到不含狀態(tài)變量x(k-s)的等價(jià)方程：Ns(ys(k)-Husus(k))＝NsHdsds(k)+NsHfsfs(k)然后，計(jì)算NosHdsds的協(xié)方差矩陣Λds表示等價(jià)空間中ds的協(xié)方差矩陣，并計(jì)算P＝(Λnds)-1/2，在上述等價(jià)方程兩端左乘矩陣P以滿足I表示單位矩陣，得到等價(jià)方程：PNs(ys(k)-Husus(k))＝PNsHdsds(k)+PNsHfsfs(k)最后，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差產(chǎn)生器為：r(k)＝NosHdsds(k)+NosHfsfs(k)其中，Nos＝PNs，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差r(k)＝Nos(ys(k)-Husus(k))。其中，步驟4所述的不同故障引起的殘差向量的具體求解方法為：根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差產(chǎn)生器r(k)，首先計(jì)算故障未發(fā)生f(k)＝0時(shí)未知輸入d(k)引起的殘差向量rd(k)＝NosHdsds(k)和不同故障fi(k)發(fā)生時(shí)引起的標(biāo)稱殘差向量rfi(k)＝NosFifsi(k),1≤i≤nf，然后計(jì)算不同故障fi(k)引起的殘差向量，得：ri(k)＝NosFifsi(k)+NosHdsds(k),1≤i≤nf其中，Bf,i、Df,i,1≤i≤nf分別表示Bf的第i列、Df的第i列。其中，步驟5所述的故障檢測(cè)條件并得到可檢測(cè)故障的具體判斷方法為：當(dāng)故障fi發(fā)生時(shí)，即fi(k)≠0，fi(k)引起的標(biāo)稱殘差向量rfi(k)＝NosFifsi(k)＝0表示故障fi的發(fā)生不能引起標(biāo)稱殘差向量rfi變化，因此故障fi不能通過(guò)殘差ri被檢測(cè)，fi不滿足故障檢測(cè)條件；當(dāng)fi(k)≠0時(shí)，若rfi(k)≠0則故障fi的發(fā)生可通過(guò)殘差ri被檢測(cè)，fi滿足故障檢測(cè)條件；依次對(duì)判斷故障檢測(cè)條件，得到無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中可檢測(cè)故障表示無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的可檢測(cè)故障數(shù)。其中，步驟6所述的不同殘差向量概率分布的具體求解方法為：首先，計(jì)算未知輸入d引起的殘差向量rd的概率分布；由于且未知輸入d引起的殘差向量rd相當(dāng)于對(duì)未知輸入變量ds進(jìn)行線性變換，得到未知輸入d引起的殘差向量rd的概率分布為然后，計(jì)算可檢測(cè)故障引起的殘差向量的概率分布；由于引起的殘差向量為標(biāo)稱殘差向量為其中得到可檢測(cè)故障引起的殘差向量的概率分布如下：其中，分別表示Bf的第列、Df的第列。其中，步驟7所述的待分離故障對(duì)的具體求解方法為：若無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中所有故障均不可檢測(cè)，即所有故障均不能實(shí)現(xiàn)故障分離；若無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中只有一個(gè)可檢測(cè)故障，即則該故障發(fā)生時(shí)與其他故障分離問(wèn)題轉(zhuǎn)化為該故障的故障檢測(cè)問(wèn)題，此時(shí)研究故障可分離性毫無(wú)意義，因此或時(shí)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中不含待分離故障對(duì)。若無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中可檢測(cè)故障數(shù)將任意兩個(gè)可檢測(cè)故障構(gòu)成待分離故障對(duì)，共得到組待分離故障對(duì)。其中，步驟8所述的待分離故障對(duì)故障分離條件的具體判斷方法為：首先，建立可檢測(cè)故障發(fā)生時(shí)與可檢測(cè)故障實(shí)現(xiàn)故障分離條件的余弦形式；由于可檢測(cè)故障發(fā)生時(shí)與可檢測(cè)故障實(shí)現(xiàn)故障分離的條件為引起的殘差向量與引起的標(biāo)稱殘差向量間的夾角應(yīng)小于與引起的標(biāo)稱殘差向量其余弦形式為：|ri‾T·rfi‾|||ri‾||2·||rfi‾||2>|ri‾T·rfj‾|||ri‾||2·||rfj‾||2,1≤i‾≠j‾≤n‾f]]>其中，表示的歐式范數(shù)，以此類推；然后，將基于引起的標(biāo)稱殘差向量的歐式范數(shù)建立發(fā)生時(shí)與可檢測(cè)故障實(shí)現(xiàn)故障分離的條件化簡(jiǎn)，得：||rfi‾||2=||NosFi‾(||fsi‾||2·fsi‾,1)||2=||fsi‾||2·||rfi‾,1||2>rdT·nij‾(1-|ni‾T·nj‾|)]]>其中，最后，根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的實(shí)際需求確定故障分離置信度α，由于建立可分離故障fi發(fā)生時(shí)以置信度α與可檢測(cè)故障分離的條件如下：||fsi‾||2>fij‾,i‾c,1≤i‾≠j‾≤n‾f]]>其中：待分離故障對(duì)中的故障分離閾值為置信度α對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)高斯分布置信區(qū)間上限；從第一組待分離故障對(duì)開(kāi)始，判斷組待分離故障對(duì)能否滿足故障分離條件。其中，步驟9所述的待分離故障對(duì)的改進(jìn)故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體求解方法為：首先，計(jì)算待分離故障對(duì)引起的殘差向量的K-L散度改進(jìn)指標(biāo)該指標(biāo)定量評(píng)價(jià)殘差的距離相似度，即：D1(ri‾,rj‾)=max(KL(ri‾:rd),KL(rj‾:rd))min(KL(ri‾:rd),KL(rj‾:rd))]]>其中，表示rd的K-L散度(Kullback-Leiblerdivergence)，由于經(jīng)計(jì)算分別表示中的最大值、最小值。由于得有意義；然后，計(jì)算待分離故障對(duì)引起的標(biāo)稱殘差向量的正弦值該指標(biāo)通過(guò)的方向差異定量評(píng)價(jià)殘差的方向相似度，即：D2(ri‾,rj‾)=sin2(rfi‾,rfj‾)=1-(rfi‾T·rfj‾||rfi‾||2·||rfj‾||2)2]]>此外，考慮未知輸入對(duì)故障分離的影響，引入故障可檢測(cè)性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)定量評(píng)價(jià)故障與未知輸入引起殘差相對(duì)變化程度的差異，即：D3(ri‾,rj‾)=min(||rfi‾||2,||rfj‾||2)Jth]]>其中：表示中的最小值，定量評(píng)價(jià)故障對(duì)殘差的影響程度；故障檢測(cè)閾值由置信度α及殘差方差確定，表示置信度為α自由度為η的卡方分布，η為Nos的行數(shù)，定量評(píng)價(jià)未知輸入對(duì)殘差的影響程度；最后，計(jì)算待分離故障對(duì)的改進(jìn)故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)：Di‾,j‾=D1(ri‾,rj‾)·D2(ri‾,rj‾)·D3(ri‾,rj‾)=(1-(rfi‾·rfj‾)2||rfi‾||22·||rfj‾||22)·max(||rfj‾||22,||rfj‾||22)min(||rfi‾||22,||rfj‾||22)·χα2(η),1≤i‾≠j‾≤n‾f]]>判斷組待分離故障對(duì)的故障可分離性評(píng)價(jià)是否分析完畢，若是，則故障可分離性評(píng)價(jià)結(jié)束，否則回到步驟8繼續(xù)計(jì)算，直至全部待分離故障對(duì)故障可分離性評(píng)價(jià)完畢。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)本發(fā)明根據(jù)等價(jià)空間中不同故障引起的故障診斷殘差向量的方向差異建立故障分離條件，將故障分離條件轉(zhuǎn)化為等價(jià)空間中不同故障向量的歐式范數(shù)與故障分離閾值的比較問(wèn)題，該方法直接利用故障向量歐式范數(shù)判斷故障分離條件，能夠更為直觀地評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中執(zhí)行器故障和傳感器故障能否實(shí)現(xiàn)故障分離。(2)本發(fā)明利用不同故障引起的故障診斷殘差向量的相似度定量評(píng)價(jià)故障可分離性，提出的改進(jìn)故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)將距離相似度和方向相似度相結(jié)合，能夠更為準(zhǔn)確地定量評(píng)價(jià)不同故障引起的殘差向量在距離和方向上的差異，提高了故障可分離性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，其故障可分離性評(píng)價(jià)結(jié)果為無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及故障分離算法設(shè)計(jì)提供一種參考依據(jù)。(3)本發(fā)明將故障可分離性定性評(píng)價(jià)方法和定量評(píng)價(jià)方法相結(jié)合，較比現(xiàn)有故障可分離性評(píng)價(jià)方法能夠更為全面、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障分離的難易程度。附圖說(shuō)明圖1為無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)框圖；圖2為本發(fā)明提出的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的故障可分離性評(píng)價(jià)方法流程圖；圖3為無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障檢測(cè)圖；圖4為無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障分離圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由控制器、執(zhí)行器、無(wú)人機(jī)機(jī)體和傳感器組成，控制指令通過(guò)控制器作用于執(zhí)行器，通過(guò)控制輸入引起無(wú)人機(jī)機(jī)體位置、速度和姿態(tài)等狀態(tài)變量的變化，經(jīng)過(guò)傳感器進(jìn)行量測(cè)并將量測(cè)變量反饋給控制器，控制器再根據(jù)控制指令和量測(cè)變量產(chǎn)生控制輸入。無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的故障可分離性評(píng)價(jià)方法流程圖如圖2所示，具體方法如下：步驟1：根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)原理，建立無(wú)人機(jī)線性離散定常飛行控制系統(tǒng)模型如下：x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)+Bdd(k)+Bff(k)y(k)=α(k)+Du(k)+Ddd(k)+Dff(k)]]>其中，分別為狀態(tài)變量、控制輸入變量、輸出變量、未知輸入變量和故障變量，根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和飛行環(huán)境確定；nx、nu、ny、nd、nf分別為x(k)、u(k)、y(k)、d(k)、f(k)的維數(shù)，k表示采樣時(shí)刻，分別表示所有nx、nu、ny、nd、nf維實(shí)數(shù)向量；d(k)包括噪聲、大氣擾動(dòng)以及模型不確定性，假設(shè)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中未知輸入變量為線性互不相關(guān)的零均值高斯隨機(jī)向量表示均值為0、協(xié)方差矩陣為Λd的高斯隨機(jī)分布，0表示零矩陣或零向量，Λd為d的協(xié)方差矩陣；無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中故障變量f為l2范數(shù)有界的確定性加性故障，且fi(k),1≤i≤nf為故障變量f(k)的第i個(gè)分量，fi(k)≠0表示某執(zhí)行器或傳感器發(fā)生故障；A、B、C、D分別為無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的系統(tǒng)矩陣、輸入矩陣、輸出矩陣和傳輸矩陣，根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定；Bf、Df為根據(jù)系統(tǒng)故障f類型確定的已知矩陣或向量，Bd、Dd為根據(jù)系統(tǒng)未知輸入d類型確定的已知矩陣或向量；步驟2：根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和計(jì)算能力，確定等價(jià)空間階數(shù)表示所有正整數(shù)，由步驟1所述的無(wú)人機(jī)線性離散定常飛行控制系統(tǒng)控制輸入變量u(k)和輸出變量y(k)的冗余關(guān)系，在等價(jià)空間中構(gòu)建無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的等價(jià)方程如下：ys(k)-Husus(k)＝Hosx(k-s)+Hdsds(k)+Hfsfs(k)其中，ys(k)、us(k)、ds(k)、fs(k)分別表示y(k)、u(k)、d(k)、f(k)在等價(jià)空間中的輸出變量、控制輸入變量、未知輸入變量和故障變量；分別表示所有(ny·(s+1))×(nu·(s+1))、(ny·(s+1))×(nd·(s+1))、(ny·(s+1))×(nf·(s+1))、(ny·(s+1))×nx維實(shí)數(shù)矩陣，分別表示所有nu·(s+1)、nd·(s+1)、nf·(s+1)、ny·(s+1)維實(shí)數(shù)向量。步驟3：根據(jù)步驟2所述的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)等價(jià)空間中等價(jià)方程設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差產(chǎn)生器。首先對(duì)步驟2所述的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的等價(jià)空間中在等價(jià)方程等式兩端左乘矩陣Hos的左零矩陣Ns，即NsHos＝0，得到不含狀態(tài)變量x(k-s)的等價(jià)方程：Ns(ys(k)-Husus(k))＝NsHdsds(k)+NsHfsfs(k)，然后計(jì)算NosHdsds(k)的協(xié)方差矩陣Λds表示等價(jià)空間中ds的協(xié)方差矩陣，并計(jì)算P＝(Λnds)-1/2，此時(shí)I表示單位矩陣，得到等價(jià)方程：PNs(ys(k)-Husus(k))＝PNsHdsds(k)+PNsHfsfs(k)，最后設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差產(chǎn)生器：r(k)＝NosHdsds(k)+NosHfsfs(k)其中，Nos＝PNs，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差r(k)＝Nos(ys(k)-Husus(k))。步驟4：根據(jù)步驟3所述的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差產(chǎn)生器計(jì)算不同故障引起的殘差。首先計(jì)算故障未發(fā)生f(k)＝0時(shí)未知輸入d(k)引起的殘差向量rd(k)＝NosHdsds(k)和不同故障fi發(fā)生時(shí)引起的標(biāo)稱殘差向量rfi(k)＝NosFifsi(k),1≤i≤nf，然后計(jì)算不同故障fi引起的殘差向量為：ri(k)＝NosFifsi(k)+NosHdsds(k),1≤i≤nf其中，Bf,i、Df,i,1≤i≤nf分別表示Bf的第i列、Df的第i列。步驟5：根據(jù)步驟4所述的不同故障引起的標(biāo)稱殘差向量rfi判斷故障檢測(cè)條件。當(dāng)故障fi發(fā)生時(shí)，即fi(k)≠0，fi引起的標(biāo)稱殘差向量rfi(k)＝NosFifsi(k)＝0則故障fi的發(fā)生不能引起標(biāo)稱殘差向量rfi變化，因此故障fi不能通過(guò)殘差ri被檢測(cè)，fi不滿足故障檢測(cè)條件；當(dāng)fi(k)≠0時(shí)，若rfi(k)≠0則故障fi的發(fā)生可通過(guò)殘差ri被檢測(cè)，fi滿足故障檢測(cè)條件。依次對(duì)判斷故障檢測(cè)條件，得到無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中可檢測(cè)故障表示無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的可檢測(cè)故障數(shù)。步驟6：根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差產(chǎn)生器和未知輸入的概率分布，計(jì)算無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)可檢測(cè)故障引起的殘差的概率分布。首先，計(jì)算未知輸入d引起的殘差向量rd的概率分布。由于且未知輸入d引起的殘差向量rd相當(dāng)于對(duì)未知輸入變量ds進(jìn)行線性變換，得到未知輸入d引起的殘差向量rd的概率分布為然后，計(jì)算可檢測(cè)故障引起的殘差向量的概率分布。由于引起的殘差向量為標(biāo)稱殘差向量為其中得到可檢測(cè)故障引起的殘差向量的概率分布如下：其中，分別表示Bf的第列、Df的第列。步驟7：根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的可檢測(cè)故障構(gòu)造無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的待分離故障對(duì)。若無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中所有故障均不可檢測(cè)，即所有故障均不能實(shí)現(xiàn)故障分離；若無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中只有一個(gè)可檢測(cè)故障，即則該故障發(fā)生時(shí)與其他故障分離問(wèn)題轉(zhuǎn)化為該故障的故障檢測(cè)問(wèn)題，此時(shí)研究故障可分離性毫無(wú)意義，因此或時(shí)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中不含待分離故障對(duì)。若無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中可檢測(cè)故障數(shù)將任意兩個(gè)可檢測(cè)故障構(gòu)成待分離故障對(duì)，共得到組待分離故障對(duì)。步驟8：依次建立待分離故障對(duì)的故障分離條件，判斷無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)待分離故障對(duì)能否滿足故障分離條件。首先，建立可檢測(cè)故障發(fā)生時(shí)與可檢測(cè)故障實(shí)現(xiàn)故障分離條件的余弦形式。由于可檢測(cè)故障發(fā)生時(shí)與可檢測(cè)故障實(shí)現(xiàn)故障分離的條件為引起的殘差向量與引起的標(biāo)稱殘差向量間的夾角應(yīng)小于與引起的標(biāo)稱殘差向量其余弦形式為：|ri‾T·rfi‾|||ri‾||2·||rfi‾||2>|ri‾T·rfj‾|||ri‾||2·||rfj‾||2]]>其中，表示的歐式范數(shù)，以此類推。然后，將基于引起的標(biāo)稱殘差向量的歐式范數(shù)建立發(fā)生時(shí)與可檢測(cè)故障實(shí)現(xiàn)故障分離的條件化簡(jiǎn)，得：||rfi‾||2=||NosFi‾(||fsi‾||2·fsi‾,1)||2=||fsi‾||2·||rfi‾,1||2>rdT·nij‾(1-|ni‾T·nj‾|)]]>其中，最后，根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的實(shí)際需求確定故障分離置信度α，由于建立可分離故障發(fā)生時(shí)以置信度α與可檢測(cè)故障分離的條件如下：||fsi‾||2>fij‾,ic‾,1≤i‾≠j‾≤n‾f]]>其中：待分離故障對(duì)中的故障分離閾值為置信度α對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)高斯分布置信區(qū)間上限。從第一組待分離故障對(duì)開(kāi)始，判斷組待分離故障對(duì)能否滿足故障分離條件。步驟9：若待分離故障對(duì)滿足步驟8所述的故障分離條件，計(jì)算待分離故障對(duì)的改進(jìn)故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。首先，計(jì)算待分離故障對(duì)引起的殘差向量的K-L散度改進(jìn)指標(biāo)該指標(biāo)定量評(píng)價(jià)殘差的距離相似度，即：D1(ri‾,rj‾)=max(KL(ri‾:rd),KL(rj‾:rd))min(KL(ri‾:rd),KL(rj‾:rd))]]>其中，表示rd的K-L散度(Kullback-Leiblerdivergence)，由于經(jīng)計(jì)算分別表示中的最大值、最小值。由于得有意義。然后，計(jì)算待分離故障對(duì)引起的標(biāo)稱殘差向量的正弦值該指標(biāo)通過(guò)的方向差異定量評(píng)價(jià)殘差的方向相似度，即：D2(ri‾,rj‾)=sin2(rfi‾,rfj‾)=1-(rfi‾T·rfj‾||rfi‾||2·||rfj‾||2)2]]>此外，考慮未知輸入對(duì)故障分離的影響，引入故障可檢測(cè)性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)定量評(píng)價(jià)故障與未知輸入引起殘差相對(duì)變化程度的差異，即：D3(ri‾,rj‾)=min(||rfi‾||2,||rfj‾||2)Jth]]>其中：表示中的最小值，定量評(píng)價(jià)故障對(duì)殘差的影響程度；故障檢測(cè)閾值由置信度α及殘差方差確定，表示置信度為α自由度為η的卡方分布，η為Nos的行數(shù)，定量評(píng)價(jià)未知輸入對(duì)殘差的影響程度。最后，計(jì)算待分離故障對(duì)的改進(jìn)故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)：Di‾,j‾=D1(ri‾,rj‾)·D2(ri‾,rj‾)·D3(ri‾,rj‾)=(1-(rfi‾·rfj‾)2||rfi‾||22·||rfj‾||22)·max(||rfj‾||22,||rfj‾||22)min(||rfi‾||22,||rfj‾||22)·χα2(η),1≤i‾≠j‾≤n‾f]]>判斷組待分離故障對(duì)的故障可分離性評(píng)價(jià)是否分析完畢，若是，則故障可分離性評(píng)價(jià)結(jié)束，否則回到步驟8繼續(xù)計(jì)算，直至全部待分離故障對(duì)故障可分離性評(píng)價(jià)完畢。本發(fā)明以一種固定翼無(wú)人機(jī)在H0＝7000m，V0＝0.4Ma的等速無(wú)側(cè)滑平直飛行狀態(tài)下的縱向模型為例評(píng)價(jià)故障可分離性。步驟1：取系統(tǒng)狀態(tài)變量x(t)＝[VαqθH]T，控制輸入量u(t)＝[δeδp]T，量測(cè)變量y(t)＝[VqθH]T，f(t)表示執(zhí)行器故障或傳感器故障，其中本實(shí)施例中執(zhí)行器故障以升降舵恒偏差故障f1＝0.5為例，傳感器故障以俯仰陀螺恒偏差故障f2＝0.5、垂直陀螺恒偏差故障f3＝0.5為例，故障向量f＝[f1f2f3]T，假設(shè)未知輸入其中d1,d2,d3分別為過(guò)程噪聲，大氣干擾及量測(cè)噪聲，其中大氣干擾d2中考慮水平風(fēng)速和垂直風(fēng)速，忽略側(cè)向風(fēng)速，建立無(wú)人機(jī)線性連續(xù)定常飛行控制系統(tǒng)模型如下：x·(t)=Acx(t)+Bcu(t)+Bfcf(t)+Bdcd2(t)+d1(t)y(t)=Ccx(t)+Dfcf(t)+d3(t)]]>其中：在Matlab仿真環(huán)境下，令采樣時(shí)間T＝0.01s，利用Matlab離散化工具，建立無(wú)人機(jī)線性離散定常飛行控制系統(tǒng)模型如下：x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)+Bff(k)+Bdd2(k)+d1(k)y(k)=Cx(k)+Dff(k)+d3(k)]]>其中：步驟2：根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)狀態(tài)維數(shù)nx＝5，設(shè)定等價(jià)空間階數(shù)s＝5，置信度α＝0.05，建立等價(jià)空間中等價(jià)方程如下：ys(k)-Husus(k)＝Hosx(k-s)+Hdsds(k)+Hfsfs(k)其中，us(k)＝[uT(k-5)uT(k-4)…uT(k)]T，ys(k)、ds(k)、fs(k)以此類推；Hus、Hds以此類推。步驟3：首先計(jì)算Hos的左零矩陣在等價(jià)方程等式兩端左乘矩陣Hos，得：Ns(ys(k)-Husus(k))＝NsHdsds(k)+NsHfsfs(k)然后，計(jì)算NosHdsds(k)的協(xié)方差矩陣并計(jì)算得到等價(jià)方程：PNs(ys(k)-Husus(k))＝PNsHdsds(k)+PNsHfsfs(k)最后，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差產(chǎn)生器為：r(k)＝NosHdsds(k)+NosHfsfs(k)其中，步驟4：根據(jù)步驟3所述的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷殘差產(chǎn)生器r(k)，得到rd(k)＝NosHdsds(k)、不同故障fi發(fā)生時(shí)引起的標(biāo)稱殘差向量rfi(k)＝NosFifsi(k)(i＝1,2,3)以及不同故障fi發(fā)生時(shí)引起的殘差向量ri(k)＝NosFifsi(k)+NosHdsds(k)(i＝1,2,3)，其中F2、F3以此類推。步驟5：根據(jù)步驟4所述的不同故障引起的標(biāo)稱殘差向量rfi，由于fi(k)≠0(i＝1,2,3)時(shí)，得f1滿足故障分離條件，同理可得f2、f3滿足故障分離條件，f1、f2、f3均為可檢測(cè)故障。步驟6：計(jì)算引起殘差的的概率分布為步驟7：由于無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中可檢測(cè)故障數(shù)將任意兩個(gè)可檢測(cè)故障構(gòu)成待分離故障對(duì)，共得到3組待分離故障對(duì)。步驟8：根據(jù)引起的標(biāo)稱殘差向量的歐式范數(shù)，建立f1發(fā)生時(shí)與f2分離的條件如下：||rf1||2=||fs1||2·||rf1,1||2>rdT·n12(1-|n1T·n2|)]]>其中，fs1,1＝0.4082×[111111]T，根據(jù)置信度0.05，由于得ρ12＝1.96，建立可分離故障f1發(fā)生時(shí)以置信度0.05與可檢測(cè)故障f2分離的條件為||fs1||2＞f12,1c＝0.7305。由于||fs1||2＝1.2247＞0.7305，f1發(fā)生時(shí)能以置信度0.05與可檢測(cè)故障f2分離，其余故障分離以此類推，得到故障分離閾值如表1所示，其中故障f1發(fā)生時(shí)不能以置信度0.05與可檢測(cè)故障f3分離，其余情況均能實(shí)現(xiàn)故障分離。表1無(wú)人機(jī)縱向控制系統(tǒng)故障分離閾值步驟9：首先，計(jì)算待分離故障對(duì)f1、f2引起的殘差向量r1、r2的K-L散度改進(jìn)指標(biāo)：然后計(jì)算待分離故障對(duì)f1、f2引起的標(biāo)稱殘差向量rf1、rf2的正弦值D2(r1,r2)＝sin2(rf1,rf2)＝0.9962；置信度0.05下故障檢測(cè)閾值Jth＝30.14，計(jì)算故障可檢測(cè)性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)：得到待分離故障對(duì)f1、f2的改進(jìn)故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)D1,2＝246.8，其它待分離故障對(duì)的改進(jìn)故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)以此類推，得到改進(jìn)故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。表2無(wú)人機(jī)縱向控制系統(tǒng)改進(jìn)故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)由表2可知，待分離故障對(duì)f1、f3的改進(jìn)故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)D1,3遠(yuǎn)低于其它待分離故障對(duì)的改進(jìn)故障可分離性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，與表1結(jié)果相符。為了驗(yàn)證本發(fā)明的分析結(jié)果，首先對(duì)上述無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)，仿真5s數(shù)據(jù)，在2s依次加入f1、f2、f3，其故障檢測(cè)殘差評(píng)價(jià)函數(shù)分別為Jk1、Jk2、Jk3；置信度0.05下故障檢測(cè)閾值為表示置信度為0.05、自由度為19的卡方分布，得到無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障檢測(cè)圖如圖3所示。由于圖3中故障f1、f2、f3發(fā)生后故障檢測(cè)殘差評(píng)價(jià)函數(shù)Jk1、Jk2、Jk3均明顯高于故障檢測(cè)閾值Jth，說(shuō)明故障f1、f2、f3均可檢測(cè)。本發(fā)明利用方向性殘差進(jìn)行故障分離驗(yàn)證本評(píng)價(jià)方法的正確性，依次計(jì)算待分離殘差ri與標(biāo)稱殘差rf1、rf2、rf3的余弦距離，由于余弦距離最大的標(biāo)稱殘差與ri方向最相近，由該標(biāo)稱殘差的故障類型確定系統(tǒng)發(fā)生的故障類型。記故障fi引起的ri與fj的標(biāo)稱殘差向量rfj的余弦距離為Jij，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障分離圖如圖4所示，其中故障f1發(fā)生時(shí)J11、J12、J13如圖4a所示；故障f2發(fā)生時(shí)J21、J22、J23如圖4b所示；故障f3發(fā)生時(shí)J31、J32、J33如圖4c所示，圖4c中第二張圖為第一張圖的局部放大圖。由圖4a可知，f1發(fā)生時(shí)，故障f1引起的殘差向量r1與故障f1的標(biāo)稱殘差向量rf1的余弦距離J11明顯大于r1與故障f2的標(biāo)稱殘差向量rf2的余弦距離J12，說(shuō)明故障f1發(fā)生時(shí)殘差向量r1與rf1的夾角明顯小于r1與rf2的夾角，f1發(fā)生時(shí)易于與f2實(shí)現(xiàn)故障分離；但r1與rf1的余弦距離J11同r1與rf3的余弦距離J13沒(méi)有明顯區(qū)別，說(shuō)明故障f1發(fā)生時(shí)r1與rf1的夾角同r1與rf3的夾角沒(méi)有明顯區(qū)別，f1發(fā)生時(shí)難以與f3實(shí)現(xiàn)故障分離，與本發(fā)明評(píng)價(jià)方法相符。由圖4b可知，f2發(fā)生時(shí)，r2與rf2的余弦距離J22明顯大于r2與rf1、rf3的余弦距離J21、J23，說(shuō)明故障f2發(fā)生時(shí)r2與rf2的夾角明顯小于r2與rf1、rf3的夾角，f2發(fā)生時(shí)易于與f1、f3實(shí)現(xiàn)故障分離，與本發(fā)明所述評(píng)價(jià)方法相符。由圖4c可知，f3發(fā)生時(shí)，r3與rf3的余弦距離J33略大于r3與rf1的余弦距離J31，說(shuō)明r3與rf3的夾角略小于r3與rf1的夾角，f3發(fā)生時(shí)能與f1實(shí)現(xiàn)故障分離；r3與rf3的余弦距離J33明顯大于r3與rf2的余弦距離J32，說(shuō)明r3與rf3的夾角明顯小于r3與rf2的夾角，f3發(fā)生時(shí)易于與f2實(shí)現(xiàn)故障分離，與本發(fā)明評(píng)價(jià)方法相符，驗(yàn)證了本發(fā)明的有效性。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3