基于滑模观测器的线性系统故障诊断和容错控制

论文摘要

随着工业过程越来越趋向于大型化和复杂化,系统对可靠性和安全性的要求也越来越高,因而故障诊断和容错控制已成为当前研究的热门,其中基于模型故障诊断和容错控制是广泛应用的一种有效方法.近来,越来越多的学者开始把H∞技术引入到基于模型的故障诊断和容错控制中,来加强系统的干扰鲁棒性和性敏感性.动态系统的容错控制是伴随着基于解析冗余的故障诊断技术的发展而发展起来的.状态观测器的出现,不但为冗余及状态反馈的技术实现提供了实际可能性,而且在控制工程的许多方面也得到了实际应用.使用滑模观测的最大优点是,在滑模过程中,对于匹配的求和输入是敏感的,滑模变结构本质上是一类特殊的非线性控制.因此,滑模观测器有很广阔的研究前景,基于滑模观测器的容错控制和故障诊断将成为国内外学者研究的热点问题之一本文首先简单介绍了容错控制,故障诊断的研究目的和意义,及滑模观测器的概念和发展现状,然后分析了现有论文发现中存在的主要问题.针对这些问题,本文采用了控制检测系统的完整型设计,在这个设计中,控制器和观测器同时设计.并概述本文系统模型,观测器、控制器形式及需要用到的基础知识.本篇论文的目的是在有限频域内,求出系统存在干扰的情况下,故障发生时间,并设计滑模观测器和控制器,使系统满足给定的性能指标.通过选择新的因子,并采用矩阵替换技术及相关引理,将四个有限低频故障和高频扰动问题转化成易于由MATLAB求解的线性矩阵不等式,由Lyapunov稳定性理论给出系统在控制器和观测器共同作用时的稳定性条件.又针对每一种故障情形分别给出相应的数值算例,利用线性矩阵不等式工具箱求解控制器和观测器参数,并设计合适的Simulink模块,在此基础上进行的仿真实验证明了本文所得结果的可行性和有效性.最后,总结本文用到的主要研究方法,并对滑模观测器问题进行展望,同时指出了本文存在的不足之处和可能的改进方向.

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 研究背景
• 1.3 容错控制和故障诊断
• 1.3.1 容错控制和故障诊断发展现状
• 1.3.2 故障诊断系统的性能指标
• 1.4 状态观测器
• 1.4.1 状态观测器定义
• 1.4.2 状态观测器的分类
• 1.5 滑模变结构观测器
• 1.5.1 滑模变结构理论概述
• 1.5.2 滑模变结构等值原理
• 1.5.3 基于滑模变结构观测器故障诊断的研究现状
• 1.6 符号说明
• 第2章 问题陈述和初步知识
• 2.1 基础知识
• 2.1.1 控制系统的基本要求
• 2.1.2 线性系统理论的主要内容
• 2.2 问题陈述
• 2.3 观测器设计
• 2.4 控制器设计
• 2.5 预备知识
• 第3章 主要结论
• 3.1 故障发生时间
• 3.2 故障估计和控制指标条件
• 3.3 稳定性条件
• 3.4 数值仿真
• 第4章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢