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1、基于神经网络的直升机智能故障检测与主动容错技术综述1．引言随着现代飞控系统对其各部件的可靠性、准确性的要求越来越高，故障诊断和容错控制技术的研究引起了相关研究领域的重视。在控制领域，故障诊断的目的在于及时检测并识别故障，而容错控制的目的在于通过控制器的调节使得故障系统仍能保持满意的性能或者至少达到可以接受的性能指标。容错控制技术取得应用成果最多的对象是飞机,飞控系统容错控制技术经过数十年的发展，取得了丰硕的成果，针对不同的飞机模型和故障类型，提出了相应的容错控制设计方法。旋翼飞行器（直升机)具有任
2、意方向飞行，可悬停对预定目标进行定点监视，也可定点做360°回转；外形尺寸小，雷达发射面积小，飞行安全性高；起飞着陆场地要求低；地面设备简单，架设和撤收时问短等优点，因而在军事和民用方面已广泛应用。旋翼飞行器是一种稳定性差、不易控制的飞行器,具有多变量、非线性耦合、柔性结构等多种动力学特性,在飞行过程中会遇到风扰、发动机振动等多种扰动,其机械部件和控制系统极易出现故障,如果故障不能被有效检测出来或者在有限的控制周期内没有及时对控制器进行处理,旋翼飞行器就会因其静不稳定的特点失去控制,导致重大的损失
3、甚至地面人员伤亡。由此,对于旋翼飞行器的故障诊断与容错控制技术的研究就成为了提高其安全性和可靠性的迫切研究任务。本文首先介绍了控制系统的故障检测技术和容错控制技术，然后介绍了直升机故障诊断与容错控制的特点，紧接着对基于神经网络的直升机故障诊断和容错技术进行了分析，最后总结了直升机故障诊断和容错技术中存在的问题及发展方向。2.控制系统的故障检测技术概述 控制系统的故障检测与诊断技术(FDD,faultdetectionanddiagnosis)从上世纪70年代产生到现在已取得了迅速发展,它是一门综合
4、性技术,涉及现代控制理论、信号处理、模式识别、人工智能、电子技术、数理统计、模糊逻辑等学科理论,与容错控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制有着密切的联系。故障检测就是判断系统是否发生了故障以及检测出故障发生的时刻;而故障诊断涉及故障分离、故障辨识等内容,包括分离出故障发生的部位(传感器、执行器或元部件)、判别故障的种类(缓变型或突变型)、估计故障的严重程度和时变特性,并进行评价与决策等内容。故障诊断最初采取的方法是硬件冗余技术,该方法的缺陷是要增加更多的测试设备,使系统结构复杂化。目前所说的FDD
5、技术都是以软件冗余(解析冗余)为主,包括了故障检测、故障分离、故障辨识、故障估计、故障预报和故障决策等内容。该技术按是否需要建立系统的精确数学模型可分为两大类:一类是完全基于控制系统数学模型的方法;另一类是基于人工智能、专家系统、模式识别和模糊理论等技术的智能故障诊断方法。在控制系统的故障诊断中,基于数学模型的诊断技术目前已取得了相当的进展,如Kalman滤波、观测器、参数估计和一致空间法等。这类方法需要建立被诊断对象较为精确的数学模型,其诊断原理是利用模型系统所产生的信号与实际测量的系统信号相比
6、较的差值构成残差向量,通过对残差序列的统计分析,可检测出故障的发生并进行故障诊断。但该技术在应用方面受到不少限制,一个重要的问题就是要求系统有精确的数学模型,而实际往往存在描写模型的不确定性,导致了这些方法的不实用性;另外,由于非线性系统的复杂多样性,控制系统的建模非常困难,故障诊断要求得到系统的在线状态和参数估计的手段并不多,尤其在系统存在模型不确定性、噪声统计特性并不理想时,使得传统的动态数学模型方法的应用更为困难。许多不依赖于控制系统的方法也就应运而生。主要有：直接测量系统的输入输出、基于因
7、果的信号处理方法、基于专家系统的方法以及基于故障树、模式识别、模糊数学、人工神经网络等诊断方法。这些智能故障诊断方法由于不需要建立控制系统的精确数学模型,具有适用广、灵活的优点，因此在故障诊断中得到了越来越广泛的重视。3.容错技术概述随着人们迫切需要提高现代系统的可靠性与安全性，基于解析冗余的动态系统的故障诊断与容错控制(FaultTolerantControl,FTC)则为提高复杂系统的可靠性开辟了一条新的途径。动态系统的容错控制是伴随着基于解析冗余的故障诊断技术的发展而发展起来的。如果当执行器
8、、传感器或元部件发生故障时，闭环控制系统仍然是稳定的，并具有较理想的特性，就称此闭环控制系统为容错控制系统。容错控制的思想最早可以追溯到1971年,以Niederlinski提出完整性控制(Integralcontrol)的新概念为标志;Siljak于1980年发表的关于可靠镇定的文章是最早开始专门研究容错控制的文章之一。动态系统的故障检测与诊断是容错控制的重要支撑技术之一。FDD技术的发展已大大超前于容错控制，其理论与应用成果也远远多于容错控制。1986年9月，在美国SantaC
