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请叫我雷锋 · 发表于 2017-8-27 11:06:55

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《Fault Diagnosis and Fault-Tolerant Control and Guidance for Aerospace Vehicles: From Theory to Application》
航空航天车辆故障诊断与容错控制与指导：从理论到应用
作者：
Ali Zolghadri
David Henry
J´erˆome Cieslak
Denis Efimov
Philippe Goupil
出版社：Springer
出版时间：2014年

《Fault Diagnosis and Fault-Tolerant Control and Guidance for Aerospace Vehicles: From Theory to App ...

目录
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Book Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Review and Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1 Fault Detection and Diagnosis, Fault-Tolerant
Control, and Fault-Tolerant Guidance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 Interaction Between FDD, FTC, and FTG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 Chapter Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Industrial State-of-Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 General Ideas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Aeronautics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3 Space Missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Review of Academic Advanced Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.2 Analytical or Model-Based FDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.3 Recovery Aspects: FTC and FTG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 Toward Advanced Model-Based Techniques for Flight Vehicles . . . . . 19
2.4.1 Needs, Requirements, and Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.2 Case Studies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Robust Detection of Oscillatory Failure Case in Aircraft
Control Surface Servo-Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1 Introduction and Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.1 Primary Aircraft Control Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.2 The Link Between FDD of Control Surfaces
and Aircraft Structural Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.3 Oscillatory Failure Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
xiii
xiv Contents
3.2 OFC in Aircraft Control Surface Servo-Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.2 State-of-Practice: In-Service A380 Aircraft Example . . . . . . . . 34
3.2.3 Motivations for an Advanced Model-Based Approach . . . . . . . 37
3.3 Verification and Validation Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.1 Airbus Aircraft Benchmark (AAB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.2 Functional Engineering Simulator (FES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.3 Industrial Assessment Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 Nonlinear Observer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.1 OFC Detectability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.2 Proposed Detection Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.3 Decision-Making Rule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5 Fault Reconstruction via Sliding-Mode Differentiation . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.1 Design of Hybrid Differential Observer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.2 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4 Robust Detection of Abnormal Aircraft Control Surface
Position for Early System Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 Industrial State-of-Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3 Need for Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4 A Dedicated Kalman-Based Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.1 Runaway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.2 Jamming. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.5 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5.1 Airbus Aircraft Benchmark (AAB) and Real
Flight Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5.2 Validation and Verification on Airbus Test Facilities . . . . . . . . . 86
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5 Failure Detection and Compensation for Aircraft Inertial System . . . . . 91
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2 Failure Detection and Isolation in Aircraft Inertial System . . . . . . . . . . . 94
5.2.1 Problem Statement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2.2 Classical Triplex Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.3 Enhanced Detection and Compensation Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3.1 OFC Detection and Isolation Module. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3.2 Consolidation Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.4 Simulation and Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.4.1 Simulation Setup. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.4.2 Single OFC Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.4.3 Combined OFC Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Contents xv
5.4.4 Other Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6 An Active Fault-Tolerant Flight Control Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.1.1 Problem Statement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.2 Fault-Tolerant Control Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2.1 FTC with a Model-Based FDD Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.2.2 FTC with Dedicated Onboard FDD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.2.3 Analysis of FTC Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.2.4 Formulation of FTC Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.3 Bumpless Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.3.1 Solution with a Model-Based FDD Scheme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.3.2 Solution with Dedicated Onboard FDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.4 Application to a B747-100/200. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.4.1 Requirements and Validation Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.4.2 B747-100/200 Benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.4.3 FTC Problem Formulation to FM-AG(16) Project . . . . . . . . . . . . 134
6.4.4 FTC Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.4.5 Simulation and Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Appendix A: State and Input Definition of the Boeing 747-100/200 . . . . . . . 146
Appendix B: A, Be, Bh, and C State-Space Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7 Model-Based FDIR for Space Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.2 FDIR in Space Applications: State-of-Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.3 Model-Based FDIR Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.4 Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.5 A Satellite Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.5.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.5.2 Design of the FDI System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.5.3 Computational Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.5.4 Isolation Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.5.5 Nonlinear Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.6 A Deep Space Mission: Mars Sample Return . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.6.1 Modeling the Orbiter Dynamics During
the Rendezvous Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.6.2 Design of the FDI System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.6.3 Computational Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.6.4 Isolation Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.6.5 Nonlinear Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
xvi Contents
7.7 An Atmospheric Reentry Mission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.7.1 The Auto-Landing Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.7.2 Nonlinear Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.7.3 Application to the TAEM Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.7.4 Nonlinear Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8 Conclusions and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
8.1 Fault Detection and Diagnosis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
8.2 Fault-Tolerant Control and Guidance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.3 Concluding Remarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

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