几类非线性系统鲁棒故障诊断及容错控制研究

论文摘要

复杂系统在运行过程中,传感器、执行器及系统内部元件都不可避免地会发生故障,因此其可靠性、安全性与有效性的要求越来越高。但由于实际的复杂动态系统往往呈现非线性,同时又由于系统的数学模型不确定性的存在,使得上述要求较难满足。因此,不确定非线性系统的鲁棒故障诊断和容错控制技术越来越受到重视和关注,已成为控制界的前沿研究课题,也是当前国际学术界所关注的热点和难点之一。本文针对几类不确定非线性系统,基于观测器方法、自适应技术和神经网络技术,研究鲁棒故障诊断和容错控制问题。主要研究工作如下:针对两类不确定非线性系统,分别研究了基于滑模/自适应观测器估计和神经网络学习的鲁棒故障诊断问题。首先在系统故障模型可结构参数化的前提下,通过微分同胚变换,基于滑模/自适应观测器参数辨识方法分别获得了针对执行器型和传感器型故障的鲁棒故障诊断决策逻辑算法。该算法避免了现有文献中执行器或内部元件故障参数辨识需对系统输出求导和要求满秩的条件。进一步在系统状态完全可测和不完全可测条件下,基于自适应神经网络滤波器,研究了不确定非线性故障检测和诊断问题,给出了一种新的对突变故障和缓变故障同样适用且残差阈值较小的鲁棒故障检测和诊断方法。在状态完全可测时,利用系统状态输入的一种广义动态神经网络,建立了系统故障特性的逼近模型;在状态不完全可测时,利用观测状态输入的广义动态神经网络,建立了系统故障特性逼近模型。并分别分析和证明了故障检测的鲁棒性和诊断系统的稳定性。仿真结果证明了所提出方法的有效性。针对一类既存在结构失配也包含参数失配的不确定非线性系统,提出了一种基于不确定界自适应估计的主动鲁棒容错控制。在模型失配参数和结构失配不确定上界自适应估计的鲁棒控制下,提出了一种新的残差阈值较小的故障检测和诊断算法。当检测到故障已发生,利用神经网络提供的故障特性函数,提出了一种修正控制律的自适应鲁棒容错控制器设计方法。该控制器通过补偿故障所带来的影响使闭环系统一致有界稳定。针对无阻塞喷气式发动机压缩系统模型,给出了一个详细的仿真研究,验证了提出的故障诊断和容错控制方法的有效性。与现有的一些研究比较,所给方法具有快速诊断故障和提高容错控制性能的特点。针对两类不确定非线性系统,利用一种新的参数投影方法,分别研究了高性能

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 鲁棒故障诊断及容错控制研究的意义
• 1.2 故障诊断的国内外研究概况
• 1.2.1 基于模型的故障诊断的研究
• 1.2.2 基于信号处理的故障诊断
• 1.2.3 基于知识的方法
• 1.2.4 系统控制中的故障诊断
• 1.3 容错控制技术的国内外研究概况
• 1.3.1 被动容错控制
• 1.3.2 主动容错控制
• 1.3.3 鲁棒容错控制国内外研究概况
• 1.3.4 非线性系统集成故障诊断和容错控制研究
• 1.4 论文的主要研究工作
• 第2章 不确定非线性系统基于滑模/自适应观测器的鲁棒故障检测与辨识
• 2.1 引言
• 2.2 问题描述
• 2.2.1 对执行器故障的 GOCF
• 2.2.2 对传感器故障的 GOCF
• 2.3 观测器设计及故障辨识
• 2.3.1 滑模观测器设计
• 2.3.2 对执行器故障的自适应观测器设计及故障估计
• 2.3.3 对传感器故障的自适应观测器设计及故障估计
• 2.4 残差产生
• 2.5 决策逻辑
• 2.6 仿真研究
• 2.7 本章小结
• 第3章 不确定非线性系统基于神经网络在线逼近鲁棒故障诊断
• 3.1 引言
• 3.2 问题描述
• 3.3 系统状态完全可测时鲁棒故障诊断
• 3.3.1 故障检测鲁棒性分析
• 3.3.2 系统稳定性分析
• 3.4 系统状态不完全可测时鲁棒故障诊断
• 3.4.1 故障检测鲁棒性分析
• 3.4.2 系统稳定性分析
• 3.5 仿真研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 不确定非线性系统基于不确定自适应估计的鲁棒容错控制
• 4.1 引言
• 4.2 问题描述
• 4.3 鲁棒自适应容错控制
• 4.3.1 鲁棒自适应控制
• 4.3.2 故障检测与诊断策略
• 4.3.3 自适应容错控制器重构
• 4.4 仿真研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 不确定非线性系统基于参数投影技术的鲁棒容错控制
• 5.1 引言
• 5.2 基于参数投影技术的鲁棒容错跟踪控制
• 5.2.1 问题描述
• 5.2.2 鲁棒容错跟踪控制器重构设计
• 5.2.3 仿真研究
• 5.3 基于参数投影技术的鲁棒容错控制
• 5.3.1 问题描述
• 5.3.2 鲁棒容错控制器重构设计
• 5.3.3 仿真研究
• 5.4 本章小结
• 第6章 非线性故障不确定系统基于时滞优化鲁棒容错控制
• 6.1 引言
• 6.2 不确定连续系统基于时滞优化鲁棒容错控制
• 6.2.1 问题描述
• 6.2.2 鲁棒故障检测与诊断
• 6.2.3 基于时滞优化模型重构
• 6.2.4 缓变故障时鲁棒容错控制器重构设计
• 6.2.5 突变故障时鲁棒容错控制器重构设计
• 6.2.6 仿真研究
• 6.3 不确定离散系统基于时滞优化鲁棒容错控制
• 6.3.1 问题描述
• ∞滤波鲁棒故障诊断'>6.3.2 基于H_∞滤波鲁棒故障诊断
• 6.3.3 基于时滞优化模型重构
• 6.3.4 基于时滞优化鲁棒容错控制器重构
• 6.3.5 仿真研究
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介