非线性系统执行器故障容错控制研究

论文摘要

随着现代工程技术系统的复杂化,系统的安全性和可靠性越来越受到人们的关注,容错控制应运而生,它的主要目的是在控制系统发生故障的情况下,仍然保持系统的安全性和可靠性,并尽可能使系统保持一定的性能。迄今,线性系统的容错控制理论已经基本成熟,但是,非线性系统的容错控制研究取得的成果相对较少,本文对非线性系统容错控制进行了一些研究。首先,本文阐述了非线性容错控制系统的设计策略,容错控制系统的设计策略分为两部分：冗余设计和故障补偿。一部分,一种特定的冗余被引入到控制器中,生成的闭环系统不论是在所有执行器都正常工作时,还是其中一个执行器出现故障的情况下都能呈现稳定的状态；另一部分,在模糊逻辑系统的基础上应用在线容错控制方案,闭环稳定性的实现基于Lyapunov原理,闭环系统的稳定性是通过使用修正的控制律来实现的。与现有结果比较,更新的控制律使得所有闭环系统的参数是有界的。在非线性系统的故障检测时,提出了一种新的残差阈值达到最小的故障检测和诊断方法,对不确定非线性系统进行故障调节是通过微分同胚变换,用滑模参数辨识方法获得了针对执行器发生故障的鲁棒控制算法,这种算法,不需要对执行器的故障参数辨识,也不需要对非线性系统的输出进行求导,或者要求满秩的条件。该控制器是一种简化模式的控制器,即用一个一阶稳定系统来代替一个更高阶的跟踪问题,通过引入滑模控制来抵消或减缓在实际动态与由故障导致的动态之间存在的干扰。冗余设计的优点是,它无需知道故障的位置和大小,而且在没有故障检测的情况下即可实现,从而减少了计算时间,避免了由于故障检测所带来的错误警报,非检测以及相应的时延。故障补偿的优势在于可以实时地处理因故障所引起的动态现象。其次,针对具有某类未知状态的非线性系统,应用模糊理论,设计相应的控制器来实现整个系统的全局稳定性以及局部收敛性能。非线性系统的故障估计采用的是快速的自适应故障估计算法,设计了一种自适应模糊滑模控制器,使得当系统发生故障时,能起到很好的调节作用,该控制器中的模糊逻辑系统是通过利用相应的模糊控制规则直接作为控制器使用的。最后,总结了本文的研究成果及不足,对非线性系统的容错控制研究提出了一些想法和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究现状
• 1.3 故障诊断与容错控制技术
• 1.3.1 故障诊断技术
• 1.3.2 容错控制技术
• 1.3.3 非线性系统的故障诊断与容错控制
• 1.3.4 鲁棒容错控制
• 1.3.5 发展趋势
• 1.4 本文工作
• 第2章 本文应用的相关基础知识
• 2.1 Lyapunov稳定性及相关内容
• 2.1.1 Lyapunov稳定性定义
• 2.1.2 Lyapunov稳定性理论的本质及分类
• 2.1.3 Lyapunov法分析系统稳定性的判据
• 2.1.4 Lyapunov函数的构造
• 2.2 滑模控制
• 2.2.1 滑模控制的基本思想
• 2.2.2 滑动模态的数学表达
• 2.2.3 滑模控制的基本问题
• 2.3 线性矩阵不等式
• 2.3.1 线性不等式定义
• 2.3.2 线性不等式的几个引理
• 2.4 模糊控制理论
• 2.4.1 基本概念
• 2.4.2 模糊控制器的分类
• 2.4.3 模糊控制的分类
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于输出反馈的非线性系统容错控制研究
• 3.1 引言
• 3.2 容错控制系统的冗余设计
• 3.3 非线性系统的故障检测和故障补偿
• 3.3.1 非线性系统的故障检测
• 3.3.2 没有不确定性的非线性系统的故障补偿
• 3.3.3 含有不确定性的非线性系统故障补偿
• 3.4 范例分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于直接模糊自适应的非线性系统容错控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 主要结果
• 4.2.1 系统模型描述与假设
• 4.2.2 故障估计算法
• 4.2.3 控制器的设计
• 4.2.4 稳定性分析
• 4.3 数值实例
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢