無(wú)人機(jī)雙余度電動(dòng)舵機(jī)角度傳感器故障檢測(cè)的方法詳解

引言

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，續(xù)航時(shí)間和任務(wù)半徑越來(lái)越大，并且在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中攜帶的任務(wù)載荷和偵察打擊設(shè)備越來(lái)越多，因此保證無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的安全性和可靠性就顯得特別重要。

舵控系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其可靠性和安全性直接關(guān)系到無(wú)人機(jī)的飛行安全［1］。早在20世紀(jì)50年代初期，人們就認(rèn)識(shí)到系統(tǒng)的單一通道設(shè)計(jì)不能保證系統(tǒng)功能的可靠實(shí)現(xiàn)，采用多通道設(shè)計(jì)能夠大幅度提高系統(tǒng)的可靠性。由此產(chǎn)生了系統(tǒng)的余度設(shè)計(jì)技術(shù)，并迅速被飛機(jī)操縱系統(tǒng)等采用。余度技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性與安全性的一種有效手段，可以在降低元器件要求的同時(shí)有效地提高系統(tǒng)可靠性［2］。雙余度舵控系統(tǒng)的基本思想是通過(guò)不同余度之間的切換來(lái)保證舵控系統(tǒng)的可靠性，因此在這個(gè)過(guò)程中就涉及到舵控系統(tǒng)的故障檢測(cè)技術(shù)。

在舵控系統(tǒng)中角度傳感器的作用是產(chǎn)生一個(gè)與舵面角度等效的電信號(hào)，將測(cè)量到的信號(hào)作為反饋引入到控制系統(tǒng)中，從而形成對(duì)舵控系統(tǒng)的閉環(huán)控制。所以角度傳感器在整個(gè)舵控系統(tǒng)中具有重要的作用。為了防止舵機(jī)角度傳感器故障造成舵控系統(tǒng)無(wú)法正常工作，在進(jìn)行雙余度舵控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選用了共軸雙余度電位器作為角度傳感器。在舵機(jī)工作過(guò)程中及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出單個(gè)角度傳感器的故障并切換到另一余度，是提高舵控系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。

目前舵機(jī)故障檢測(cè)常用的方法是根據(jù)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)建立舵機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)對(duì)比舵機(jī)的實(shí)際輸出與參考模型輸出之間的誤差來(lái)檢測(cè)舵回路是否發(fā)生故障［3-6］。針對(duì)雙余度舵控系統(tǒng)工作過(guò)程中角度傳感器的故障檢測(cè)技術(shù)，本文提出了基于辨識(shí)參考模型的角度傳感器故障檢測(cè)方法。首先通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)的方法辨識(shí)出系統(tǒng)輸出的參考模型，然后比較模型輸出和實(shí)際角度傳感器輸出的殘差變化是否超過(guò)閾值來(lái)判斷電位器是否發(fā)生故障。

1 雙余度電動(dòng)舵機(jī)整體方案

無(wú)人機(jī)舵控系統(tǒng)可以分為電控部分和機(jī)械部分，機(jī)械部分通常情況下不會(huì)發(fā)生突發(fā)性故障，而是隨著工作時(shí)間的增加逐漸出現(xiàn)性能下降、疲勞斷裂等故障；電控部分由控制電路、無(wú)刷直流電機(jī)和角度傳感器3部分組成，電機(jī)和角度傳感器在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)突發(fā)性故障，控制電路由于元器件的損壞或故障也可能出現(xiàn)突發(fā)性故障。結(jié)合舵控系統(tǒng)電控部分和機(jī)械部分的故障性質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙余度舵控系統(tǒng)，整體方案如圖1所示。

無(wú)刷直流電機(jī)、電位器和控制電路采用雙余度設(shè)計(jì)，共用一套傳動(dòng)和減速機(jī)構(gòu)。其中電機(jī)采用并聯(lián)式雙繞組無(wú)刷直流電機(jī)，每個(gè)繞組有一套獨(dú)立的霍爾位置傳感器，可保證電機(jī)獨(dú)立工作?？刂齐娐凡捎脙商转?dú)立的控制系統(tǒng)，正常工作時(shí)，兩套控制系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)雙繞組無(wú)刷直流電機(jī)工作在熱備份狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)繞組出現(xiàn)故障時(shí)，從控制系統(tǒng)中切除，用另一個(gè)繞組工作［7］。

角度傳感器采用共軸雙聯(lián)電位器，每聯(lián)可以獨(dú)立工作。每套控制電路分別采集角度傳感器兩個(gè)余度的信號(hào)，但是為了保證控制的一致性，在實(shí)際控制時(shí)兩套控制電路以其中一路角度傳感器信號(hào)作為反饋，當(dāng)該路信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)切換到另一路角度傳感器信號(hào)。正常工作時(shí)，兩路角度傳感器輸出相同的反饋信息，當(dāng)兩路角度傳感器輸出信息不一致時(shí)，可以判斷有一路電位器出現(xiàn)故障，但是無(wú)法判斷哪路出現(xiàn)故障。因此要準(zhǔn)確地判斷角度傳感器故障僅靠角度傳感器自身是不夠的，需要增加其他的判斷依據(jù)。本文提出了基于辨識(shí)參考模型的無(wú)人機(jī)雙余度電動(dòng)舵機(jī)角度傳感器故障檢測(cè)方法。主要思想是通過(guò)兩路角度傳感器輸出的差值判斷角度傳感器是否存在故障，然后通過(guò)參考模型確定哪一路出現(xiàn)故障，從而保證舵控系統(tǒng)可以得到準(zhǔn)確的角度反饋信號(hào)。

2 參考模型建立

通過(guò)機(jī)理分析和理論推導(dǎo)的方式可以獲得舵控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，模型參數(shù)可以通過(guò)測(cè)量或系統(tǒng)辨識(shí)的方法獲?。?］。由于模型中有些參數(shù)很難準(zhǔn)確地測(cè)量獲得，因此本文首先采用機(jī)理分析的方法推導(dǎo)得到舵控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)的方法確定模型的參數(shù)。

2.1 模型推導(dǎo)

舵機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，主要由電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和位置傳感器組成。

根據(jù)基爾霍夫定律可以得到電壓平衡方程為：

由于此舵機(jī)中選用的無(wú)刷直流電機(jī)電感很小，接近于零，因此為了減小參數(shù)辨識(shí)的計(jì)算量和降低傳遞函數(shù)的復(fù)雜性，忽略電感的影響，將舵機(jī)的閉環(huán)傳遞函數(shù)等效為二階系統(tǒng)。

2.2 模型參數(shù)辨識(shí)

本文研究的無(wú)人機(jī)舵控系統(tǒng)，以控制和反饋信號(hào)為模擬信號(hào)，范圍為±10 V，對(duì)應(yīng)±30°，頻帶范圍為4 Hz。為了準(zhǔn)確地辨識(shí)系統(tǒng)模型的參數(shù)，在選擇輸入激勵(lì)信號(hào)時(shí)要求可以充分激發(fā)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。在系統(tǒng)辨識(shí)中白噪聲是理想的輸入信號(hào)，因此根據(jù)此舵控系統(tǒng)的帶寬和輸入輸出工作范圍，選擇帶寬為5 Hz、幅值為2 V的白噪聲信號(hào)，利用Keysight 信號(hào)發(fā)生器的任意波功能產(chǎn)生。

由于舵控系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)均為模擬信號(hào)，因此利用泰克示波器的數(shù)據(jù)采集功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣周期為1 kHz。為了減小干擾和野值對(duì)辨識(shí)結(jié)果的影響，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波和剔除野值處理。

將處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB系統(tǒng)辨識(shí)工具箱，利用2.1推導(dǎo)的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識(shí)參數(shù)，得到系統(tǒng)的輸入輸出模型為：

由于實(shí)際舵控系統(tǒng)的輸入能量是有限的，因此舵回路內(nèi)存在速率飽和的非線性特性，若直接對(duì)舵控系統(tǒng)的位置輸入輸出進(jìn)行線性動(dòng)力學(xué)建模，則當(dāng)位置給定較大時(shí)，舵機(jī)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的實(shí)際輸出會(huì)因速率飽和而與系統(tǒng)模型輸出具有較大的誤差［9］。圖3左邊的曲線為輸入角度較大時(shí)，由于速率飽和特性限制導(dǎo)致模型輸出和舵機(jī)實(shí)際輸出相差較大。

為了解決速率飽和特性導(dǎo)致實(shí)際輸出和模型輸出不一致的問(wèn)題，在辨識(shí)出的舵控系統(tǒng)模型中加入速率飽和限制。速率飽和限制的表達(dá)式如下：

將位置限幅加入到辨識(shí)模型中，可以解決速率飽和特性造成的偏差。圖3右側(cè)為加入位置限幅后舵機(jī)實(shí)際輸出和模型輸出曲線，可以看出此種方法可以較好地解決由于速率飽和造成的偏差。

為了驗(yàn)證辨識(shí)模型在加載情況下的準(zhǔn)確性，給舵控系統(tǒng)施加隨機(jī)的彈性力矩，然后對(duì)比舵機(jī)實(shí)際輸出和模型輸出。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，給舵機(jī)施加±10 N·m的外部力矩干擾，辨識(shí)出的系統(tǒng)模型仍然可以較好地反映實(shí)際舵控系統(tǒng)的輸出。因此辨識(shí)參考模型可以應(yīng)用于雙余度角度傳感器的故障檢測(cè)中。

3 雙余度角度傳感器故障檢測(cè)

角度傳感器為雙聯(lián)共軸電位器，分別采用±15 V電壓為電位器供電。由于雙聯(lián)電位器阻值分布和線性度不可能完全一致，導(dǎo)致舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)同一角度，電位器輸出的電壓變化也不完全一致。為了減小由于電位器差異造成的誤差，利用角度傳感器分別采集電位器輸出電壓和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后用最小二乘法擬合出電位器轉(zhuǎn)動(dòng)角度和輸出電壓值的線性關(guān)系。在實(shí)際工作過(guò)程中，將采集到的電位器電壓值轉(zhuǎn)化為角度，然后再進(jìn)行控制。

3.1 故障檢測(cè)方法

為了準(zhǔn)確判斷出電位器是否出現(xiàn)故障，并確定哪一個(gè)余度出現(xiàn)故障，采用的基本思想是：首先通過(guò)對(duì)比采集到兩路角度傳感器的角度值來(lái)判斷角度傳感器是否存在故障，然后將角度傳感器的值和辨識(shí)參考模型對(duì)比確定出現(xiàn)故障的余度。具體檢測(cè)步驟如下：

步驟1：分別采集兩路角度傳感器的電壓值，并根據(jù)擬合公式將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成角度信號(hào)。

步驟2：計(jì)算兩路角度傳感器角度信號(hào)的差值，并判斷差值是否超過(guò)故障的閾值。如果大于閥值則有一路信號(hào)存在故障，進(jìn)入步驟3；如果小于閾值則兩路角度傳感器工作正常。

步驟3：計(jì)算兩路角度傳感器與辨識(shí)參考模型輸出的差值是否超過(guò)閾值，如果超過(guò)則判斷此路角度傳感器信號(hào)出現(xiàn)故障。

步驟4：將舵機(jī)控制系統(tǒng)的角度傳感器信號(hào)切換到?jīng)]有故障的余度。

為了保證此故障檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性，防止出現(xiàn)錯(cuò)檢和漏檢，上述故障檢測(cè)步驟需要連續(xù)N個(gè)周期出現(xiàn)同樣的問(wèn)題時(shí)才判斷電位器出現(xiàn)故障。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

為了說(shuō)明此種故障檢測(cè)方法的有效性，選擇典型的電位器故障，在不同的控制輸入下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在舵控系統(tǒng)工作過(guò)程中，電位器滑動(dòng)指針出現(xiàn)斷損是最常見的故障。因此模擬處于工作狀態(tài)的余度電位器出現(xiàn)斷針故障，驗(yàn)證此故障檢測(cè)方法能否檢測(cè)出故障，并且切換到備份余度電位器來(lái)保證舵控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

為了模擬此種故障，在舵機(jī)工作過(guò)程中將主余度電位器的信號(hào)輸出線切斷。觀察故障檢測(cè)方法和故障切換的有效性。為了充分驗(yàn)證方法的有效性，分別選取具有代表性的正弦信號(hào)、階躍信號(hào)和隨機(jī)白噪聲信號(hào)作為控制輸入進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5所示為控制信號(hào)是正弦信號(hào)時(shí)的故障檢測(cè)結(jié)果。開始時(shí)余度1電位器反饋?zhàn)鳛橄到y(tǒng)反饋信號(hào)接入到控制系統(tǒng)，在5 s左右將余度1電位器斷路。從圖中可以看出，在余度1反饋斷路后，控制系統(tǒng)可以快速地將反饋信號(hào)切換到電位器余度2反饋，并且保證舵控系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠。

圖6和圖7分別為控制信號(hào)是階躍信號(hào)和隨機(jī)白噪聲信號(hào)時(shí)的故障檢測(cè)結(jié)果。開始時(shí)余度1電位器反饋?zhàn)鳛橄到y(tǒng)反饋信號(hào)接入到控制系統(tǒng)，在5 s左右將余度1電位器斷路。從圖中可以看出，在余度1反饋斷路后控制系統(tǒng)可以快速地將反饋信號(hào)切換到電位器余度2反饋，并且保證舵控系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，基于辨識(shí)參考模型的故障檢測(cè)方法可以及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出角度傳感器的故障，并且切換到備份余度的角度傳感器，保證舵控系統(tǒng)正常工作，提高系統(tǒng)的可靠性。

4 總結(jié)

本文研究了無(wú)人機(jī)雙余度電動(dòng)舵機(jī)角度傳感器故障檢測(cè)的方法。針對(duì)雙余度角度傳感器的特點(diǎn)提出了基于辨識(shí)參考模型的故障檢測(cè)方法。首先通過(guò)理論推導(dǎo)和機(jī)理分析的方法建立了舵控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后利用模型辨識(shí)的方法確定了模型的參數(shù)。通過(guò)引入速率飽限制和位置限幅，解決了舵控系統(tǒng)模型由于速度飽和導(dǎo)致跟蹤大角度輸出時(shí)存在較大誤差的問(wèn)題，使模型即使在存在力矩干擾時(shí)仍然可以作為參考模型進(jìn)行故障檢測(cè)。最后給出了雙余度電位器故障檢測(cè)的步驟，并且通過(guò)實(shí)際的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的有效性。