系统容错控制的方法研究

论文摘要

控制系统的可靠性是保证系统正常运行的关键。在实际工业生产中,由于各种原因,系统内部的元件可能损坏,这时,我们设计的控制器在使用功能上,将会受到不同程度的影响。容错控制是在系统部分元件损坏的条件下,保证系统能正常运行的一种控制方法。影响系统未达到预期效果的原因有很多,本文主要研究两种情况,一种是系统内部元件发生损坏的情况,例如执行器和传感器的失效,另一种是系统出现滞后的情况,滞后现象往往严重影响系统的稳定性和性能指标。由于上述两种情况在工程问题中经常发生,所以研究执行器和传感器失效以及时滞系统的容错控制是具有重要的理论和工程意义的。本文主要研究线性系统和不确定时滞系统的容错控制问题。应用Lyapunov稳定性理论、无记忆状态反馈和时滞状态反馈及线性矩阵不等式等理论方法,主要进行了一下几个方面的工作：(1)研究了线性连续系统在部分执行器和传感器正常时的容错控制问题。系统在部分执行器正常的情况下,采用Lyapunov稳定性理论,给出保证系统稳定的充分条件,并将控制器的存在条件转化为一组线性矩阵不等式的可行解问题,又进一步讨论了在保证系统稳定的前提下,充分利用其它未损坏执行器,使系统的保性能和H∞的相应指标得到优化。此方法证明了在系统稳定的前提下,系统性能指标随着未损坏执行器的增加而减小,即系统的性能随着未损坏执行器的增加而提高。对于传感器失效以及执行器和传感器同时失效等较为复杂的情况,也得到了类似结果。(2)研究了不确定时滞系统的鲁棒容错问题。针对有状态滞后,且状态和控制输入的不确定项均是范数有界的线性系统,采用无记忆状态反馈,应用Lyapunov稳定性理论,构造了一种新的Lyapunov函数,讨论了此类系统在部分执行器和传感器分别或同时失效时,系统稳定的时滞相关充分条件,并将控制器的存在条件转化为一组线性矩阵不等式的可行解问题。在保证系统稳定的前提下,即保证控制器参数矩阵K的部分元素保持不变的情况下,充分利用其它未损坏的执行器和传感器,使系统的保性能和H∞的相应指标得到优化。此方法能够降低系统的保守性,并且在保证系统稳定的前提下,使系统性能指标随着为损坏元件的增加而减小,即性能随着未损坏元件的增加而得到提高。(3)研究了线性不确定时滞系统的鲁棒容错控制问题。针对有状态滞后,且状态和控制输入的不确定项均是范数有界的线性系统,采用时滞状态反馈,运用Lyapunov稳定性理论,构造一种时滞相关的Lyapunov函数,讨论了此类系统在执行器和传感器分别或同时失效时,系统稳定的时滞相关充分条件,并将控制器的存在条件转化为一组线性矩阵不等式的可行解问题。在保证系统稳定的前提下,即保证控制器参数矩阵K的部分元素保持不变的情况下,充分利用其它未损坏元件,使系统的保性能和H∞的相应指标得到优化。此方法能够降低系统的保守性,并且在保证系统稳定的前提下,使系统性能指标随着未损坏元件的增加而减小,即系统的性能随着未损坏元件的增加而得到提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的目的和意义
• 1.2 容错控制的研究现状
• 1.3 容错控制器的设计方法
• 1.4 本文创新之处
• 第2章 基本理论
• 2.1 线性系统基本数学模型
• 2.2 Lyapunov稳定性理论
• 2.3 时滞系统
• 2.4 状态反馈与时滞记忆反馈
• 2.5 故障模型
• 2.5.1 传感器故障模型
• 2.5.2 执行器故障模型
• 2.6 相关引理
• 第3章 线性系统的容错控制
• 3.1 引言
• 3.2 线性系统在执行器失效时的容错控制
• 3.2.1 问题描述
• 3.2.2 执行器故障时系统稳定的充分条件
• 3.2.3 线性系统在执行器失效时的保性能控制
• ∞控制'>3.2.4 线性系统在执行器失效时的H_∞控制
• 3.3 线性系统在传感器失效时的容错控制
• 3.3.1 问题描述
• 3.3.2 传感器失效时系统稳定的充分条件
• 3.3.3 线性系统在传感器失效时的保性能控制
• ∞控制'>3.3.4 线性系统在传感器失效时的H_∞控制
• 3.4 系统在执行器和传感器同时失效时的容错控制
• 3.4.1 问题描述
• 3.4.2 执行器和传感器失效时系统稳定的充分条件
• 3.4.3 线性系统在执行器和传感器失效时的保性能控制
• ∞控制'>3.4.4 线性系统在执行器和传感器失效时的H_∞控制
• 3.5 仿真实例
• 3.6 本章小结
• 第4章 不确定时滞系统的无记忆容错控制
• 4.1 引言
• 4.2 系统在执行器失效时的无记忆容错控制
• 4.2.1 问题描述
• 4.2.2 系统在执行器失效时保持稳定的充分条件
• 4.2.3 系统在执行器失效时的保性能容错控制
• ∞容错控制'>4.2.4 系统在执行器失效时的H_∞容错控制
• 4.3 不确定时滞系统在传感器失效时的无记忆容错控制
• 4.3.1 问题描述
• 4.3.2 系统在传感器失效时系统稳定的充分条件
• 4.3.3 系统在传感器失效时的保性能容错控制
• ∞容错控制'>4.3.4 系统在传感器失效时的H_∞容错控制
• 4.4 不确定时滞系统在执行器和传感器同时失效时的无记忆容错控制
• 4.4.1 问题描述
• 4.4.2 系统在执行器和传感器同时失效时系统稳定的充分条件
• 4.4.3 系统在执行器和传感器同时失效时的保性能控制
• ∞控制'>4.4.4 系统在执行器和传感器同时失效时的H_∞控制
• 4.5 仿真实例
• 4.6 本章小结
• 第5章 不确定时滞系统的记忆容错控制
• 5.1 引言
• 5.2 系统在执行器失效时不确定时滞系统的容错控制
• 5.2.1 问题描述
• 5.2.2 系统在执行器失效时鲁棒容错控制器的设计方法
• 5.2.3 系统在执行器发生故障时的保性能控制
• ∞容错控制'>5.2.4 系统在执行器失效时的H_∞容错控制
• 5.3 不确定时滞系统在传感器失效时的容错控制
• 5.3.1 问题描述
• 5.3.2 系统在传感器失效时的容错控制器设计
• 5.3.3 系统在传感器失效时的保性能容错控制
• ∞容错控制'>5.3.4 系统在传感器失效时的H_∞容错控制
• 5.4 执行器和传感器同时失效时的容错控制
• 5.4.1 问题描述
• 5.4.2 系统在执行器和传感器同时失效时系统稳定的充分条件
• 5.4.3 系统在执行器和传感器同时失效时的保性能控制
• ∞控制'>5.4.4 系统在执行器和传感器同时失效时的H_∞控制
• 5.5 仿真实例
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢