容错飞行控制系统可靠性理论与技术

本书围绕容错控制系统新理论和新技术，介绍了容错控制系统的可靠性要求、基于统计可靠性理论、基于失效物理可靠性理论、高可靠性系统设计方法及容错控制综合可靠性评价方法。本书主要内容是作者及其团队在归纳、总结和发展有关容错控制系统可靠性的科研成果的基础上，结合相关实际工程应用完成的。本书共分9章，分别论述了容错控制系统基本组成、基于统计和基于失效物理的元件可靠性理论、面向成功和故障的系统可靠性分析方法、元件和系统的可靠性设计方法、故障诊断与容错控制及容错控制系统的综合可靠性理论方法等。本书内容新颖，注重工程实际，本书实例均为实际系统的可靠性分析和评价结果。

前言
第1章概论1
1.1飞机操纵系统的发展1
1.1.1飞机操纵系统的发展阶段1
1.1.2电传操纵系统的特点4
1.1.3电传操纵系统的挑战9
1.2容错飞行控制系统的关键技术10
1.2.1余度技术11
1.2.2故障诊断与监控技术11
1.2.3容错技术11
1.2.4容错控制技术13
1.3容错控制系统可靠性技术的发展16
1.3.1动态故障树分析法17
1.3.2多态系统理论18
1.3.3Petri网方法18
1.3.4可靠性优化分析方法19
1.4容错飞行控制系统可靠性分析特点19
1.4.1软硬件的相关性19
1.4.2故障的时序性和系统的重构性20
1.4.3系统的动态性能21
1.4.4系统的复杂性21
线上习题22
线下习题22
参考文献22
第2章基于统计的可靠性理论26
2.1概率统计理论26
2.2可靠性概念及其定量指标27
2.2.1可靠性的基本概念27
2.2.2不可修产品可靠性度量指标30
2.2.3可修产品可靠性度量指标34
2.2.4系统可靠性度量36
2.3常用的统计分布38
2.3.1二项分布38
2.3.2泊松分布39
2.3.3指数分布40
2.3.4正态分布41
2.3.5对数正态分布42
2.3.6威布尔分布42
线上习题44
线下习题44
参考文献45
第3章基于失效物理的可靠性理论49
3.1材料的退化规律49
3.1.1材料参数的退化模型49
3.1.2材料退化的弹性变形53
3.1.3材料退化的塑性变形模型55
3.1.4材料退化的扩散模型57
3.1.5材料的蠕变过程58
3.1.6材料的应力松弛59
3.2基于疲劳损伤的可靠性度量61
3.2.1循环载荷作用规律61
3.2.2基于疲劳损伤可靠性度量65
3.2.3疲劳寿命预测方法65
3.3基于磨损的可靠性度量68
3.3.1磨损的一般规律68
3.3.2磨损可靠性度量72
3.4基于老化的可靠性表征72
3.4.1考虑温度的老化机理72
3.4.2多场耦合作用下的老化机理74
3.4.3老化可靠性度量76
3.5基于失效物理的可靠性76
线上习题79
线下习题80
参考文献81
第4章基于成功的系统可靠性分析方法84
4.1基于可靠性框图的可靠性分析方法84
4.1.1串联系统可靠性模型84
4.1.2并联系统可靠性模型86
4.1.3并串联可靠性模型和串并联可靠性模型87
4.1.4表决系统可靠性模型88
4.1.5贮备系统可靠性模型90
4.2网络分析法95
4.2.1网络的基本概念95
4.2.2求网络最小路的方法96
4.2.3最小路不交化101
4.2.4网络可靠度的计算104
线上习题104
线下习题105
参考文献105
第5章面向故障的系统可靠性分析方法108
5.1可修系统和马尔可夫过程108
5.1.1马尔可夫过程108
5.1.2单部件可用度建模109
5.1.3串联可修系统可用度建模111
5.1.4并联可修系统可用度建模113
5.1.5状态转移链法115
5.2故障树分析方法120
5.2.1故障树分析法120
5.2.2故障树的结构函数128
5.2.3故障树的定性分析131
5.2.4故障树的定量评定133
5.2.5动态故障树分析134
5.2.6重要度138
线上习题142
线下习题142
参考文献144
第6章元件可靠性设计方法148
6.1电子产品可靠性设计方法149
6.1.1电子产品的容差分析149
6.1.2电磁兼容设计151
6.1.3热设计153
6.2机械产品的可靠性设计方法155
6.2.1静强度的可靠性设计157
6.2.2应力和强度分布及分布参数的确定158
6.2.3各类强度-应力分布的可靠度计算160
6.2.4与时间有关的应力-强度可靠性设计162
6.2.5机械磨损量与其寿命的关系163
6.2.6机械产品老化过程的可靠度165
6.3液压泵的可靠性设计示例167
6.3.1缸体疲劳可靠度167
6.3.2柱塞疲劳可靠度169
6.3.3滑靴耐磨可靠性设计170
6.3.4缸体-配流盘耐磨可靠性设计173
6.3.5可靠性设计前后泵的可靠度计算174
线上习题174
线下习题174
参考文献175
第7章飞行控制系统可靠性设计方法178
7.1容错飞行控制系统安全性要求178
7.2余度技术180
7.2.1余度的定义180
7.2.2余度设计的基本任务180
7.2.3余度技术的分类180
7.2.4余度系统设计182
7.3余度管理188
7.3.1余度等级189
7.3.2余度配置189
7.4监控技术193
7.4.1比较监控193
7.4.2自监控195
7.4.3监控覆盖率和故障门限的确定200
7.5故障隔离与切换205
7.5.1故障隔离与切换方式205
7.5.2系统(故障)状态的确定205
7.5.3特殊故障的监控与处理206
线上习题207
线下习题209
参考文献210
第8章容错控制系统故障诊断技术216
8.1故障检测与诊断技术概述216
8.1.1动态过程的故障描述及其诊断216
8.1.2控制系统常用的故障诊断方法218
8.1.3故障检测与诊断的定量指标221
8.2基于模型的飞控系统故障检测与诊断方法222
8.2.1基于通用模型的故障表征222
8.2.2基于观测器的故障检测与诊断模型的方法225
8.2.3基于Luenberger观测器的故障检测与诊断模型的方法230
8.2.4基于奇偶空间的故障检测与诊断模型的方法233
8.2.5基于卡尔曼滤波器的故障检测与诊断模型的方法235
8.2.6基于粒子滤波的故障检测与诊断模型的方法236
8.3故障决策方法243
8.3.1极限检验与趋势检验244
8.3.2二元假设决策245
8.3.3多元假设测试246
8.3.4序贯概率比测试247
线上习题248
线下习题248
参考文献249
第9章飞行控制系统容错控制254
9.1非相似冗余飞行控制系统余度资源分析254
9.2非相似余度飞行控制系统逐层容错策略256
9.3非相似余度作动系统的被动容错控制方法256
9.3.1非相似余度作动系统模型描述与故障建模257
9.3.2基于凸优化的故障模型控制增益稳定域分析258
9.3.3被动容错控制器设计259
9.3.4仿真分析260
9.4考虑性能降级的非相似余度作动系统主动容错控制264
9.4.1非相似余度作动系统故障模型建立264
9.4.2闭环极点移动分析265
9.4.3多性能降级参考模型集的构建266
9.4.4仿真结果与分析268
9.5大型飞机水平安定面损伤情况下的自适应主动容错控制270
9.5.1基于气动导数的水平安定面断裂损伤建模270
9.5.2受损水平安定面自适应容错控制器设计274
9.5.3仿真结果276
9.6大型多电飞机垂尾损伤的主动容错控制方法278
9.6.1横侧向主动容错控制279
9.6.2偏航力矩补偿—发动机差动推力280
9.6.3主动容错控制律设计281
9.6.4仿真分析284
线上习题287
线下习题288
参考文献288
第10章容错控制系统可靠性分析实例291
10.1容错控制系统实例概述291
10.1.1A350飞机余度架构291
10.1.2A350飞控系统逻辑架构292
10.2基于分层递归的飞控系统三轴可靠性分析294
10.2.1A350飞机飞行控制系统特征294
10.2.2A350飞行控制系统物联网络拓扑298
10.3多电飞机控制系统可靠性建模与分析301
10.3.1元部件可靠性参数选择302
10.3.2子系统的可靠性建模分析303
10.3.3飞机三轴控制系统的可靠性建模分析311
参考文献316
附录标准正态分布表322