第九届国际会计师联合会控制教育进展：航空航天故障诊断与控制重构研究生教育

第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年航空航天故障诊断与控制重构研究生教育Gianni Bertoni*，Paolo Castaldi**，Maria E. **电子、计算机科学与系统系，博洛尼亚大学，40135 Bologna，Italy电子邮件：*gianni. unibo.it，**paolo. unibo.it，*maria. unibo.it翻译后摘要：计算机辅助教学过程中增加了学生和教授之间的互动，从而提高了学习过程。研究生课程的目标是教授更高水平的理论和方法问题以及如何设计系统。这个目标需要一个基于项目的教育，这是一个教育，同时执行一个项目。在本文中，我们的项目为基础的教育涉及的AFTCS（主动容错控制系统）的无人机系统（无人机系统）的实施。所要处理的活动有两个方面：一个是方法性的，另一个是技术应用性的。关键词：专题教育、电脑辅助工具、多学科方法、系统理论、非线性几何方法、故障侦测与诊断、控制重构。1. 介绍工科院校的教育质量在很大程度上依赖于主要应用于电气、机电一体化和自动控制课程的计算机辅助工具。计算机辅助教学过程增加了学生和教授之间的互动，从而改善了许多学生的学习过程。仿真软件通常被用来代替本科生的实验培训;这样他们就可以通过执行不同的案例研究来突出自己的理论知识，但由于一些重要原因，他们只能获得有限的实践经验：学生无法观察到真实效应对测试系统一些计算机辅助工具处理故障检测分析，但没有一个处理振动分析所有系统都需要采用多学科方法进行设计，航空系统尤其如此，因为它们涉及许多技术领域，其中最重要的是：力学、空气动力学、飞行力学和自动控制。另一方面，本科生课程的目标主要是了解系统的功能，而研究生课程的目标是教授更高层次的理论和方法问题以及如何设计系统。这一教育目标不能仅仅通过课堂教学和计算机辅助工具来实现，而是需要一种基于项目的教育，即在实施项目的同时进行的教育（Sivaselvan，2011年），（ Grega ， 1999 年 ） ， （ Dormido 等 人 ， 2005 ） ，（Oliveira等人，2011年）。这种方法有几个优点，因为它导致理解：1.要设计的系统的模型必须达到什么样的精度水平，既要知道它的参数，又要知道它与环境的2.系统运行可能出现的实际问题;特别是可能出现的故障，它们的重要性以及控制重新配置3.根据实际的实验情况，提出了有利于解决工程问题的方法，并分析了每种方法的优缺点4.对所研究问题的满意解决方案的可能限制;这些限制可能需要改进现有方法，甚至需要通过早期实施5.从正确管理项目及其形成方面的角度来看，前两点的应用如何重要，因为它引导学生直接理解必要的技术创新的要求6.实施和/或获取实现项目所需的硬件和软件组件的实际困难以及组件本身的结构限制（数据分辨率能力、功率计算等）7.对于操作人员的安全和周围环境，8.在不同领域从事该项目的学生的能力（如果他们更倾向于方法研究或技术操作方面，因为这两个方面在项目开发中广泛存在）© 2012 IFAC 306 10.3182/20120619-3-RU-2024.000202012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会3079.特定培训的学生也有可能在项目10. 关于项目11. 主要针对计划攻读博士学位的学生，提升学生工业培训的可能性（这通常几乎被大学教育课程所忽视）;显然，这种提升意味着工业合作伙伴和规范机构参与项目。在本论文中，我们的项目为基础的教育涉及的AFTCS（主动容错控制系统）的无人机的实施。所要处理的活动有两个方面：一个是方法性的，另一个是技术应用性的。特别是，使用超轻型飞机演示器（即超小型指导器），其技术准备将包括适当的程序，这些程序导致引入实际故障情况，这些情况很容易在飞行员的命令下被消除。通过这种方式，可以测试系统，而不会像使用航空模型经常发生的那样有损坏飞机的风险。2. 方法论活动关于基于项目的教育所涉及的方法活动，涉及的主要专题如下。2.1确定超轻型飞机演示器的型号此阶段可分为以下几点：通过评估飞机的几何特性，用确定稳定性和操纵导数的经典方法实现线性模型利用上述第一阶段模型，设计出识别飞机真实参数所必需的飞行试验（根据实际飞行数据）通过上述参数确定线性模型和通过使用空气动力学系数获得的非线性模型。在前面几点中描述的活动一方面导致理解不同类型的模型的有效性领域，另一方面导致理解跨学科活动（特别是飞行动力学和控制理论），其中每个参与者为了在项目的成功中进行合作，必须获得即使在他没有直接经历的领域中的良好知识（Bertoni等人，2011年）。该项目这一阶段的另一个重要的教育方面是验证精确的非线性模型的确定几乎是不可避免的。事实上，通过线性模型的增益调度程序替代非线性模型的使用可能非常难以实现，因为FDD（故障检测和诊断）项目模式要求的难以管理的复杂性（Iserman，2011）。2.2 故障检测与诊断系统（FDDS）飞机飞行中可能发生的故障显然是多种多样的，但最关键的是那些与操纵面和发动机（升降舵、副翼、方向舵和操纵杆）有关的故障。至于故障识别程序，直到几十年前，唯一可用的方法是利用硬件冗余，即采用更多数量的相同变量的传感器;然后可以使用投票技术，以了解是否发生了故障以及故障发生在哪个组件中。然而，毫无疑问，特别是对于小型飞行器，并且特别是对于UAS，这种类型的冗余是非常难以实现的，这既是由于缺乏机载空间，也是由于重量的大幅增加和所需的成本。因此，近年来开始使用所谓的分析冗余（或软件）。这种冗余是通过利用要被监视的系统的数学模型来实现的，使得所获得的FDD被称为基于模型的FDD（MBFDD）。本质上，可以说，考虑到系统的输出变量可以有助于同一系统的不同状态变量的可观测性的事实，可以避免使用硬件冗余。换句话说，相同的变量存在于不同输出的测量中，然后，所发生的情况就好像相同的变量由不同的传感器测量，即以冗余的方式测量，而不添加另外的传感器。简而言之，故障分析可以通过利用过程的不同变量之间的解析关系来获得。图1描述了硬件冗余（上半部分）和分析冗余（下半部分）的概念。通过分析冗余，可以定义一些症状信号，称为残差信号或简单地称为残差，通过适当处理输出变量的估计和这些变量的测量而获得（Castaldi等人，2010年）。在选择故障识别程序时，最重要的问题之一在于，程序本身证明对干扰的存在是鲁棒的，换句话说，故障和干扰是解耦的。为此目的，博洛尼亚的空中导航实验室（见附录）已经实施了新的故障检测和隔离方法，这些方法以非线性建模（航空航天系统通常如此）和使用基于微分几何学的方法为基础。特别地，使用所谓的非线性几何方法（NLGA）（DePersis等人，2001），因为就残差计算而言，它通过改变系统描述变量导致故障和干扰之间的理论上完美的解耦（Bonfè et al.，2009年）。显然，在实践中，干扰抑制不是完美的，它只是鲁棒的。事实上，最常见的诊断方法是监测残差趋势，并在信号达到给定阈值时做出决定。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会308基于模型的FDI图1 -MBFD系统这样的方法可以在没有进一步的硬件费用的情况下简单地通过使用已经存在控制算法的车载计算机来实现。图2描述了动态系统上的故障拓扑。此外，值得注意的是，设备输入（即变量）的测量u*（t）实际上被致动）应该是不可用的。这意味着不可能获得关于致动器上存在故障的直接信息，因为这将需要引入额外的硬件。因此，关于致动器故障的信息（由系统的动态特性修改）可以仅通过输出变量y*（t）获得。图2至于上面提到的教育方面，必须强调的是，所涉及的方法论主题主要涉及系统理论的非常先进的主题，如NLGA，模拟器和估计器;正如已经提到的，这意味着所有参与者的深度参与，独立于他们的基本训练。在完整的文件中的FDD方法的利用的结果提出的报告，显示了银行的2.3 主动容错控制系统（AFTCS）。图3表示AFTCS的基本框图。在该方案中，特征元素是FDD模块（但也简单地说是FDI模块）;其信息被用来重新配置控制器，以确保即使在出现故障时也能获得令人满意的性能。在使用FDD模块（不仅是FDI）的情况剩余发电机进行故障诊断和隔离一个 f 估计 F 故障可用，因此AFTC参照上述超轻型飞行器的主致动器（升降舵、副翼、方向舵、节流阀）。每个残差将仅对每个致动器上的一个故障敏感，结构可以如图4所示。值得注意的是，AFTC方案仅通过添加一个f与风分离。将实际故障与估计故障进行了比较，结果良好。反馈回路而不改变NGC系统（即飞机上已有的导航引导和控制）（Bertoni等人，2009），（Bertoni等人，2010年）。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会309图3-图4由于其模块化，这种特性使得该方案从工业角度来看特别有吸引力。这是指出的情况下，AFTC系统在性能方面提出的优点相比，仅仅是鲁棒系统（所谓的被动容错控制系统，PFTCS），这并不意味着控制系统的重新配置的情况下的故障。同样在这种情况下，超轻型飞机将作为一个案例研究，显示当上述FDD系统是一个实施的AFTCS的性能。3. 技术活对于上述项目教育所隐含的技术应用活动，其主要目的是为学生提供2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会310从而能够管理在自主飞行期间可能发生的实时问题。特别是，演示器将基于具有以下特征的平台：一种双座飞机，采用串联配置，其中一个座位供飞行员使用，消除了地面遥控的所有限制;另一个座位可用于容纳由待开发和测试的航空电子系统代表的有效载荷。在这种情况下，有效载荷可以增加到60-70公斤以上飞行器具有飞行员的可能性使得到达距起点十分之一公里的距离，以便以可靠的方式测试导航变量。此外，这架飞机允许从任何空中起飞，或直接从飞机所在的福尔马林机场起飞。超轻型模型飞机不需要遵守严格的航空法规，不需要代表航空当局（ENAC）对通用航空飞机进行定期检查;这在时间和成本正在测试的NGC系统需要在飞机上进行一些配置更改;特别是安装伺服电机，以执行与飞行命令相互作用的制导和控制律;在超轻型飞机上，这种安装不需要ENAC的正式授权。显然，超轻型飞机在最大高度方面有操作限制，但这并不影响计划的实验。4. 参与者的反应如前所述，参加该项目的学生将接受培训，主要涉及以下领域：系统理论与控制及其在飞机建模、飞行轨迹控制和状态变量变换中的应用应用计算机科学管理测量和数据飞行动力学，以确定稳定性导数和空气动力学系数。正如学生们所说，最困难的问题是获得与自己文化背景不同的学科领域的技能。然而，对于每个主题（方法和应用），该项目能够检查案例研究系统在不同情况下的行为（例如改变初始条件和输入函数），从而增加对所发生现象的理解以及所实施程序的有效性，这使得这种收购变得非常容易。一个例子的效率所采用的程序给出的系统的状态变量的变化，通过NLGA。在这种情况下，很容易表明，该过程实际上意味着干扰（风）和故障的解耦;事实上，以这种方式获得的残差与通过运行其中存在故障但不存在风湍流的模拟获得的残差相同。总之，可以说，基于项目的教育有助于建立一个新的技术人员谁可以被定义为航空空间控制工程师的数字;事实上，现代飞机的设计意味着空气动力学技能，以及自动控制和系统理论的。作为另一个例子，值得记住的是，为了限制空客380机翼的重量，它们的形状是机械部件的适当刚度和主动表面控制的结果。5. 结论本文提出的项目教育最具创新性的两点基本上是：特定培训的学生也有可能在项目确定一种方法的局限性，以便满意地解决所研究的问题，并可能需要改进所选择的方法或改变方法本身在所提出的方法中了解干扰影响的方式（即其鲁棒性），以避免误报基于项目的教育的进一步优势是对以下项目进行评估：所需的计算能力实施产品工程现有技术只限于遵守规则。5. 附录LASIM是博洛尼亚大学ARCES电子研究中心的一个实验室，致力于研究应用于车辆导航、定位和电信技术的自动控制系统。应用领域主要是航空航天和陆地/水面车辆导航;信息移动性和无线定位服务也是实验室的经验主题。该实验室与意大利航天局（意空局）、意大利交通部、大学和研究部以及相关航空航天工业合作开展了许多项目。这些项目致力于：船舶自动靠港和停靠开发在民用航空中使用全球导航卫星系统的新方法，城市环境和高速公路通过1090 MHz ADS-B数据链进行机场地面交通监控。一种无人机航电系统2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会311LASIM的研究活动涉及基于导航卫星的定位（全球定位系统、EGNOS和其他全球导航卫星系统）和自动制导系统的设计。实验室的主要专长和活动是：基于ADS-B的系统的设计与实现，包括：o用于机场地面交通监视和监控o用于车队管理o通用航空和超轻型飞机设计一个差分全球定位系统地面站（GBAS），该地面站有三个地理参照站，广播校正信号，供全球定位系统用户接收器在福尔马尼亚机场周围的局部区域内使用，以提高其定位精度飞行器卫星信号完整性算法（RAIM类算法）UAS项目：实现具有自主制导和导航能力的无人机系 统 （UAS ） （ 无需 人 类 飞 行员 干 预 的飞 行 能力）。至于演示者，它将是一个双座（串联配置）超轻型飞机超小狗的指导者，可在机库住房的福尔马林航空航天实验室的第二工程学院的博洛尼亚大学。在该演示器中，除了通常的导航、制导和控制系统外，还将实施机械系统和适当的程序，以获得真实的故障情况;因此，当故障发生时，可以测试制导和控制系统的有效性。由于机上有一名飞行员在场，该飞行员能够在容错控制设备发生故障的情况下进行干预，从而避免飞机损失，因为在使用航空模型时经常发生这种情况。开发制导律和算法，用于通过自主飞行追踪器（例如小型无人机、四旋翼机等）具有可重构结构和失效主动行为的引用Bertoni G. 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