基于观测器的H_∞故障估计与调节

论文摘要

随着生产实践对于设备和被控系统安全性、可靠性要求的不断提高,复杂系统主动容错控制问题研究受到广泛关注,已成为国际自动控制界的热点研究方向之一。纵观已经取得的研究成果,主要是针对故障诊断子系统与容错控制器独立设计的情况,又称容错控制系统的开环设计。再者,未建模动态、参数摄动等模型不确定性以及非线性等也是实际系统的常见现象,而这类系统往往难以实现故障诊断子系统与容错控制器的独立设计。故障估计与调节考虑了故障诊断与容错控制的集成设计,为容错控制系统提供了一种重要的闭环设计方法,近年来已受到了该研究领域的关注,但是目前取得的研究成果还较少。特别是,基于观测器的H∞故障估计与调节问题研究迄今仍未见诸文献,本研究课题就是在这种背景下提出的。本文结合国家自然科学基金课题,分别针对一类受L2-范数有界未知输入影响的线性时不变系统、模型不确定线性系统和一类非线性系统,采用一种广义内模控制主动容错控制系统结构,开展基于观测器的H∞故障估计与调节问题研究,论文的主要研究工作及创新之处如下:1、针对一类受L2-范数有界未知输入影响的线性时不变系统,分析了可能发生的潜在故障模式,提出了一种反映故障动态行为的参考故障模型,应用基于观测器的故障估计器进行故障估计并将通过反馈控制器实现故障补偿,推导并证明了问题可解的充分条件,得到了观测器和控制器增益矩阵设计的线性矩阵不等式求解方法。通过算例,分别针对一类突变型故障、斜坡型故障以及正弦波故障的情形设计了H∞故障估计器和H∞容错控制器,仿真结果表明取得了较满意的故障调节效果。2、针对一类模型不确定线性系统,在第二章建立的参考故障模型和主动容错控制系统结构的基础上,进一步将基于观测器的鲁棒H∞故障估计与调节问题归结为两目标H∞优化,推导并证明了问题可解的充分条件,得到了鲁棒H∞控制器与故障估计器集成设计的矩阵不等式方法,给出了观测器和控制器增益矩阵计算的迭代线性矩阵不等式算法。对于一类突变型故障、斜坡型故障和正弦波故障,通过算例验证了提出算法的有效性。3、进一步将上述参考故障模型以及线性定常系统广义内模控制主动容错系统结构推广应用于一类非线性系统,研究非线性系统基于观测器的H∞故障估计与调节问题。应用Lyapunov方法,推导并证明了问题可解的充分条件,得到了H∞控制器与故障估计器集成设计的线性矩阵不等式方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 主动容错控制发展概述
• 1.2.1 故障诊断技术概述
• 1.2.2 主动容错控制主要方法
• 1.2.3 集成故障诊断与容错控制
• 1.2.4 故障估计与调节
• 1.3 问题提出
• 1.4 论文主要内容安排
• ∞故障估计与调节'>第二章 线性时不变系统的H_∞故障估计与调节
• 2.1 引言
• 2.2 问题描述
• 2.3 主要结论
• 2.4 算例
• 2.5 结束语
• ∞故障估计与调节'>第三章 模型不确定线性系统的鲁棒H_∞故障估计与调节
• 3.1 引言
• 3.2 问题描述
• 3.3 主要结论
• 3.4 算例
• 3.5 结束语
• ∞故障估计与调节'>第四章 一类非线性系统的H_∞故障估计与调节
• 4.1 引言
• 4.2 问题描述
• 4.3 主要结论
• 4.4 算例
• 4.5 结束语
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表