郑志宏-2010012321-智能故障诊断与容错控制结课论文文档格式.doc

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1）系统故障检测与诊断 5

2）故障屏蔽 5

3）重组技术 5

4）系统自修复技术 6

5）系统恢复 6

6）冗余系统 6

3.2.2硬件容错技术 6

1）静态冗余系统 7

2）动态冗余系统 7

3）信息冗余容错 9

3.2.3软件容错技术 9

1）时间冗余容错 10

2）混合冗余系统 10

4．得出结论 11

参考文献 13

摘要

本文以容错飞行控制系统研制过程为背景，研究了提高飞行控制系统可靠

性的容错技术和方法，提出了适用于无人机的容错飞行控制系统方案。

本文共

分为三个主要部分，分别是嵌入式飞行控制计算机的冗余设计，软件的容错与

重组技术研究、传感器故障容错处理方法的应用和验证。

首先，根据现有的容错方法对飞行控制计算机系统的容错方案进行了比较

和验证，提出了非相似双余度热备份容错飞行控制计算机系统设计方案，并对

该容错飞行控制计算机的双机同步、双机通讯和双机输出逻辑切换模块进行了

详细的方案设计。

系统采用双口RAM实现双机的通讯，采用了CPLD高密度可

编程芯片，通过先进的VHDL语言设计了双机切换模块，解决了发生故障时系

统输出的准连续性问题，使工作进程不受系统故障的影响；

同时，对冗余管理

所涉及的通道的同步、通道间的数据交换、通道故障逻辑、计算机故障检测及

容错处理等技术进行了讨论研究。

其次，软件的容错设计是实现计算机控制系统高可靠性的一个重要方面，

为了实现软件的容错，避免干扰造成影响，本文采用指令冗余、软件陷阱、软

件看门狗等方法来使发生故障的系统恢复正常运行，使系统整体的可靠性通过

软件平台得到进一步的提高，实现了该系统对可靠性的设计要求。

最后，本文研究了传感器故障时，充分利用各传感器信号的信息冗余进行

容错处理，并且在无替换信息时考虑改变无人机的飞行模式和故障时的回收处

理方案，以半物理仿真试验来验证了容错处理方案的正确性和可行性。

关键词：

无人机，冗余，飞行控制系统，容错技术

1．背景

飞行控制系统是以计算机为基础的应用系统，一般的飞行控制系统除了采用一般的一些故障检测和恢复外，未能考虑对故障的处理，这样就不能保证系统在出故障之后仍能连续正常运行。

特别是在特殊的环境之中运行的飞行控制系统，加大了出现瞬时故障和永久故障的可能性，导致系统失效或运行中断，这就必须采用故障自诊断和容错技术来消除故障的影响，保证系统的正常运行，以提高系统的坚固性和生存能力，减少发生事故的因素，避免发生严重的经济损失和人员伤亡事故。

可靠性的提高除了采用可靠的硬件之外，通过使系统具有故障检测、分离和系统的重构功能及系统的容错设计也是提高可靠性的重要途径。

提高飞行控制计算机的可靠性和容错能力，最好的办法就是从系统上采取措施，即采用余度技术，目前国际国内新发展的飞机飞行控制系统和飞行控制

计算机系统，大都采用了余度和容错技术

2．问题提出

本章首先从容错的关键技术要点出发，分析了飞控计算机的故障形式，研

究了容错技术与方法，根据系统要求提出了双机热备份容错型飞行计算机的设

计方案，构建了容错飞控计算机的总体框架。

3．分析问题

3.1容错飞行控制系统概述

容错控制系统，指具有冗余能力的控制系统，即使在某些部件发生故障的

情况下，系统仍能按原定性能指标或性能指标略有降低（但可接受）安全地完

成控制任务

3.1.1飞行控制系统组成

无人机飞行控制系统以飞行控制计算机为核心，并与各种传感器及执行机

构共同构成闭环控制系统，如图2.1所示。

3.1.2故障及其主要类型

故障是指单元或系统的特性、参数等与正常状态相比出现了比较大的偏差，

致使其不能正确完成其既定功能的一种状态。

这种状态往往是由不正确的技术

条件、物理元件失效、运算逻辑错误、外部干扰、环境变化、老化、操作错误

和设计错误等引起的。

按照故障的持续时间分类，故障可分为永久故障、瞬时故障和间歇故障。

3.2容错技术研究

3.2.1计算机系统容错技术

为了提高系统的安全性和可靠性，合理地运用容错计算理论与方法，有效

地选择故障处理策略和步骤是容错系统的设计关键。

计算机控制系统的容错技

术主要是通过故障检测、系统冗余、故障屏蔽、重组技术、自修复技术和系统恢复来实现的，其容错设计方法如图2.2所示。

即在系统的n个装置中，只要至少有r个装置正常工作，系统就能完成其功

能。

一般来说，多数表决可用于计算机系统的任何级别，但在门级很少有实用

价值，而在模块级的许多容错设计中应用很广泛，也可在总线级进行表决。

同

样，软件级亦可进行表决。

（2）纠错码，是最常用的故障屏蔽手段之一，特别

是在通讯和主存的设计中大量采用Haiming纠错玛。

（3）屏蔽逻辑，它主要用

于门级电路的故障屏蔽，能限制逻辑线路门输出的临界故障及亚临界故障。

1）系统故障检测与诊断

容错技术能对系统及部件进行故障检测，并能根据检测情况切换和改变系

统工作模式。

当冗余部件发生故障时，故障检测可自主进行，隔离故障部件和

切换备份部件。

控制计算机软件中有系统故障诊断及部件故障诊断程序，并在

发生故障时自主地进行系统重构，目的是当系统内发生故障时能自动发现故障，

并确定出故障的部位、类型和大小，同时自动地隔离故障。

故障检测与诊断的

成功与否直接影响系统的容错能力。

2）故障屏蔽

故障屏蔽技术使得故障效应到达模块输出前，通过隔离和校正来消除其影

响。

故障屏蔽只能容忍故障，不给出故障警告。

当冗余耗尽时，再发生故障将

使系统产生错误输出。

因此，常把故障屏蔽技术和检测技术以及动态冗余技术

结合运用，以避免上述情况。

常用的故障屏蔽方法有三种

3）重组技术

目的在于针对故障的部位、类型和大小采取相应的容错处理。

在检测与诊

断出系统的故障后立即决策出处理故障的方案并付诸实现，例如在故障存在的

情况下采用降低系统性能从而隔离故障，保证系统可靠性在所允许的一定范围

之内，或隔离故障部分并重新组织系统的结构，使之能完成系统的功能。

目前

广泛采用的处理方案多是通过冗余资源来置换故障的单元，使系统继续正常工

作而不降低系统性能，从而保证系统的可靠性。

4）系统自修复技术

当系统发生故障后，经故障检测和定位，就可采取相应的故障处理策略。

因为故障一般可分为硬件故障和软件故障，所以自修复技术是一个广义的概念，

它包括两个方面：

（1）当发生硬件故障时，系统为操作者提出故障的类型、位

置，以利操作者能及时更换和修理故障部件，减少维修时间。

（2）当系统发生

软件故障时，系统根据故障检测和故障定位提供的信息，通过相应的纠错算法，

得出正确的输出结果，然后经过自修复程序，将这个正确结果送到出错单元，

使其恢复为正确值。

5）系统恢复

容错的目的，是使系统从故障状态恢复到正常工作状态。

恢复技术能够复

原足够的系统状态，允许工作进程在不丢失或少丢失信息的情况下，重新开始

执行故障发生前的某一进程，而不必完全重新启动系统。

恢复技术通常用软件

实现，但有时可能需要一些基本的硬件支持。

恢复技术一般可分为两种：

（1）

正向恢复技术，它是从故障发生的进程开始，继续往下执行。

（2）反向恢复技

术，最常用的反向恢复技术有两种。

第一是重试技术，它是恢复最快的一种形

式。

它是在故障排除后，根据上一进程结束时系统所处的状态，重新执行故障

发生时的工作进程。

重试技术常用作容忍瞬时错误的手段。

第二是检验点技术。

在这种方法中，工作进程的某些子进程结束时，在检验点保留一部分系统状态故障检测并不提供对故障的容忍，只提供对已发生故障的警告；

故障屏蔽

容忍故障，但不处理故障；

系统重组使系统配置能够根据双机状态进行动态改

变，以消除故障影响，并补充系统冗余。

6）冗余系统

容错是依靠外加资源换取可靠性的，由于故障的不可避免性，出现了处理

故障的不同方法，而这些方法的关键是冗余技术。

所谓冗余是指当系统无故障

时取消这些冗余措施不会影响系统正常运行

3.2.2硬件容错技术

无人机飞行控制系统的硬件是无人机正常工作的基础，硬件容错技术主要

是采用硬件冗余来实现容错。

硬件冗余可以采用多套元器件的电路级冗余方式，

也可以是在部件级（模块级）或系统级上增加套数的方式。

硬件冗余的级别越低，

故障屏蔽的效果越好，但给故障检测和电路设计带来的困难也越大。

在实际应

用中，部件级或系统级的冗余模式用得最多。

在部件级和系统级的冗余技术中，

最常见的有静态冗余、动态冗余和混合冗余等模式。

1）静态冗余系统

静态冗余又称为屏蔽冗余，它不改变系统的结构，靠附加的元器件来屏蔽

掉故障元器件的作用。

静态冗余是冗余结构不随故障情况变化的冗余形式。

静

态硬件冗余应用了故障屏蔽的概念，将发生的故障隐蔽起来，防止故障造成差

错。

静态冗余的基本原理是通过多数表决掩蔽发生的故障。

静态冗余系统的冗

余模块是系统运行时的组成部分，工作时全部模块都参与运行，多个模块同时

执行相同的功能，利用表决器通过多数一致产生输出结果。

静态硬件冗余的常用形式是三模冗余，如图2.3所示：

三个相同的模块接收三个相同的输入，产生的三个结果送至表决器。

表决

器的输出取决于它的三个输入的多数。

若有一个模块故障，则另两个正常模块

的输出可将故障模块的输出屏蔽，从而不会在表决器产生错误输出。

TMR的推广是N模冗余（N-ModularRedundancy，简称NMR）。

它与三模冗

余的原理相同，但采用N个相同的模块，N≥3，且N为奇数，以便进行多数表

决，NMR系统可以容忍（N-1）/2个模块的故障。

2）动态冗余系统

动态硬件冗余系统是由若干个相同模块组成，通过故障检测、故障定位及

系统恢复来达到容错的一种技术。

由于系统恢复采用某种重组技术，因此系统

的冗余结构将随故障情况发生变化，这种技术不防止故障产生差错，但防止差

错产生失效。

动态硬件冗余技术一般适用于这样一类应用，在这类应用中允许

发生暂时的错误结果，只要系统能在规定时间内进行重组并恢复正常运行，无

人机飞行控制系统就是这类系统，可以允许系统发生偶然的暂时性差错，并通

过重组恢复正常运行。

动态冗余系统的典型结构是系统中有N+1个相同的模块，其中只有一个模

块处于运行状态，其余的N个处于备份状态，称为备份模块。

动态冗余系统必

须具有模块故障检测功能和切换功能，如图2.4是一个集中检测和切换装置的动态冗余系统。

根据其冗余资源部分工作情况，动态硬件冗余主要有“热备份”和“冷备

份”两类。

冷备份的冗余部分处于静止待命状态，也称之为“待命储备方式”。

采用冷

备份时，备份平时不加电，直至需要它接替主机工作时才上电并初始化。

它的

优点是备份机平时不消耗功率。

性；

另一种是用重复执行指令或程序来检测故障，并从故障恢复工作。

时间冗

余的主要方法有降低运行速度、指令重复执行和程序后向恢复等。

系统在运行过程中，由于载荷等的变化可能导致某些故障，尤其对高速运

转的系统更应引起重视，在这种情况下，在保证设备基本功能范围内，降低设