复杂闭环系统定量/定性相结合的故障可诊断性分析方法研究

In order to improve the reliability and prolong the life of spacecraft control system, the diagnosis and treatment capability should been improved to ensure that the faults can be promptly detected and accurately located and the measures can be taken effectively to minimize the impact after a failure occurs. It has been an effective means to make up the deficiencies of inherent reliability from the system level. Therefore, the theory of diagnosability is developed in recent years. However, current research work about diagnosability is still in its infancy. Because the engineering problems about diagnosability is simplified largely in the existing research, it can not accurately describe the complex features of the spacecraft's control system in essentially. Further more, the delay characteristics of the fault propagation in closed-loop system is ignored usually. These reasons lead to the existing achievement can not fully meet the application requirements of the aerospace engineering. In order to solve the above problems, the deeply analysis of the diagnosability characteristic about the complex closed-loop system will be presented firstly in the project. And then, the hybrid quantitative and qualitative diagnosability model will be studied through extending the signal flow graph to fit for the quantitative signal based on the qualitative trend analysis and fuzzy logic methods. And the delay feature will be considered by adding the time function of fault propagation to the model. At last, the distinguish method of faults will be presented based on the hybrid quantitative and qualitative diagnosability model. The presented methods can support to take the diagnosability design of spacecraft control system to the design phases, and improve the reliability effectively.

提升在轨故障诊断与处理能力是克服航天器控制系统固有可靠性不足、提高运行质量和延长工作寿命的重要手段。目前可诊断性理论方面的研究工作尚处在萌芽阶段，现有研究一般都对工程问题进行了大量简化，不能从本质上描述航天器控制系统光机电混合的复杂特性，更未考虑故障在闭环系统传播的时效性，从而导致现有成果不能完全满足航天工程的应用需求。为此，本项目在深入分析复杂闭环系统可诊断性特性的基础上，针对航天器控制系统中定量模型和定性模型广泛存在情况，基于定性趋势分析和模糊逻辑对信号流图进行扩展，并在信号流中考虑故障传播的时延特性，提出了定量/定性相结合的可诊断性建模方法，建立了相应的复杂闭环系统故障可诊断性判别方法，为航天器控制系统的可诊断性分析与设计提供了理论依据，对提高航天器在轨运行寿命和可靠性具有重要意义。

提高航天器在轨故障诊断与处理能力已成为从系统层面克服产品固有可靠性不足，提升运行可靠性和延长寿命的有效手段。但目前可诊断性研究还处在较低水平，现有成果并不适用于航天器这种典型的复杂闭环系统。为此，本项目以航天器控制系统为对象，针对系统光机电混合特性和闭环特性，对其可诊断性问题进行深入研究，主要贡献包括：. (1)针对航天器控制系统的特点，分析影响系统可诊断性的因素，将可诊断性作为系统的固有特性，研究了与能观能控性、可测性之间的关系，提出适用于闭环系统的可诊断性度量指标，给出度量指标的数学描述方法。. (2) 针对目前尚未形成通用的可诊断性判据的现状，本项目从故障到输出的传递函数的角度提出了线性系统可诊断性判据。进而，考虑帆板挠性、动量轮摩擦力矩等导致航天器的动力学模型和动量轮模型为非线性的情况，从微分几何角度提出了系统的可诊断性判据，实现了闭环非线性系统的可诊断性判别，解决了非线性系统的可诊断性分析难题。. (3) 针对航天器控制系统存在大量冗余关系，且由于闭环会引起故障可能会被反馈掩盖或由于故障传播可能导致多点出现相似征兆的情况，本项目从系统的解析冗余关系入手，充分利用敏感器、执行器、控制器和动力学、运动学之间的冗余关系，提出了基于解析冗余关系的可诊断性建模方法，将航天器控制系统的反馈环打开，消除了闭环对故障可诊断性分析结果的影响，同时也适用于具有各种非线性环节的系统，为可诊断性综合评价提供了理论支持。. (4) 针对航天器控制系统中定量信息和定性信息并存的特点，基于故障物理机理建立了部件的定量/定性相结合的可诊断性模型，进而考虑故障在闭环系统传播特性和传播时的时延特性，提出了基于时延多元关联矩阵的可诊断性分析方法，解决了故障在光机电混合控制系统中传播带来的可诊断性分析难题。. (5)为了提高航天器的故障诊断与处理能力，在进行可诊断性研究的同时，还对系统的可重构性进行了初步研究，给出了复杂闭环系统可重构性的概念，提出了可重构性判别准则，研究了描述系统重构能力的度量指标及建模方法，为可重构性的后续研究奠定了基础。. 最后， 基于半物理仿真系统对上述成果进行了验证，结果表明本项目的研究成果正确有效，为推进可诊断性在实际型号中的应用奠定基础。