● 摘要
航空发动机故障诊断和容错控制是全权限数字式电子控制系统的核心内容，故障诊断是容错控制的基础。本文以涡扇发动机为研究对象，基于凸优化理论，从时域和频域二个方面对涡扇发动机传感器、执行机构故障诊断方法进行了研究，并将开环故障诊断方法与闭环鲁棒控制相结合，研究了涡扇发动机控制系统鲁棒控制与故障诊断的综合设计方法。
本文主要研究工作及其创新点如下：
从时域角度出发，基于干扰解耦的思想，提出一种涡扇发动机传感器、执行机构未知输入观测器（Unknown Input Observer，UIO）故障诊断隔离方法。首先，基于线性矩阵不等式（Linear Matrix Inequality，LMI），针对涡扇发动机状态空间模型进行了UIO优化设计；其次，用UIO状态估计实现了涡扇发动机传感器、执行机构故障检测；并基于广义故障分类架构的方法，设计一簇仅对某个特定发动机传感器、执行机构故障不敏感的UIOs，来实现故障隔离。所述算法与Kalman滤波器算法进行了仿真对比，表明UIO故障诊断隔离的准确度高、抗噪声能力强。
从频域角度出发，提出一种基于特征结构配置的涡扇发动机故障诊断方法，可直接构造具有干扰解耦的输出诊断观测器而无需间接的进行状态估计；同时，将隔离约束条件嵌入不同故障类信息组成的不变子空间中，实现了发动机传感器故障隔离。仿真验证了特征结构配置法故障检测和隔离的有效性。
从控制诊断一体化设计的角度出发，提出了一种涡扇发动机鲁棒控制器和故障诊断观测器的一体化设计方法。首先，采用状态空间增广状态变量的方法，基于凸优化理论，将鲁棒控制器设计和故障诊断观测器设计等效为一个多目标控制问题，获得了鲁棒控制器和故障诊断观测器期望的控制和诊断一体化性能。通过仿真对比分析，验证了故障诊断隔离的鲁棒性。