基于自適應(yīng)控制技術(shù)的故障診斷與容錯(cuò)控制研究.pdf

1、為了改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性及保證系統(tǒng)在各種情況下穩(wěn)定，文獻(xiàn)提出了許多有效的故障容錯(cuò)控制方法。在系統(tǒng)故障中，執(zhí)行器故障和傳感器故障是常見故障。到現(xiàn)在為止，文獻(xiàn)中有許多有關(guān)執(zhí)行器故障和傳感器故障的成果，但是，這些理論研究并不完善，還有許多值得進(jìn)一步研究的問題。本文結(jié)合自適應(yīng)控制技術(shù)和其它控制技術(shù)，研究了包括具有/不具有時(shí)滯的線性/非線性系統(tǒng)在內(nèi)的不確定動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制。首先，提出了一種能夠同時(shí)處理增益和偏置故障的時(shí)變復(fù)合故障模型,研究

2、了一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行器/傳感器發(fā)生該故障的非線性系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制。然后，利用隱函數(shù)定理,挖掘神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基函數(shù)的有關(guān)性質(zhì)，研究不可建模故障的診斷與補(bǔ)償。接著，研究了不確定時(shí)滯系統(tǒng)的故障檢測(cè)問題，設(shè)計(jì)能對(duì)未知時(shí)滯進(jìn)行估計(jì)的新型自適應(yīng)觀測(cè)器。進(jìn)而，定量分析了故障診斷所誘導(dǎo)的時(shí)滯及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。最后，在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究了具有執(zhí)行器故障的網(wǎng)絡(luò)化的非線性系統(tǒng)的協(xié)同自適應(yīng)容錯(cuò)跟蹤控制問題。本文主要內(nèi)容如下：
　　第一，針對(duì)一個(gè)執(zhí)行

3、器發(fā)生故障的情況下，研究了T-S模糊系統(tǒng)的容錯(cuò)控制問題。首先，提出了一種集成了時(shí)變偏置和增益故障的更為一般的執(zhí)行器故障模型。然后，設(shè)計(jì)了滑模觀測(cè)器以提供用于故障檢測(cè)與分離的殘差，并提出了一種新型故障診斷算法。該算法取消了傳統(tǒng)的輸出誤差的時(shí)間導(dǎo)數(shù)必須已知的假設(shè)，進(jìn)而，設(shè)計(jì)了新型故障估計(jì)觀測(cè)器，并利用所獲得故障信息提出了故障調(diào)節(jié)方案以補(bǔ)償執(zhí)行器故障。另外，基于Lyapunov穩(wěn)定理論，推導(dǎo)出滑模觀測(cè)器的存在條件。最后，近空間飛行器的仿真結(jié)果

4、說明了所提方法的有效性。
　　第二，針對(duì)一個(gè)傳感器發(fā)生故障的情況下，研究了NSHV動(dòng)態(tài)的故障診斷與估計(jì)問題。首先，利用T-S模糊系統(tǒng)被用來描述NSHV動(dòng)態(tài)。其次，提出了一種更為一般的傳感器故障模型，該模型不僅包含增益故障還包括偏置故障。接著，提出了一種新型基于滑模觀測(cè)器的自適應(yīng)故障診斷算法以檢測(cè)、分離及估計(jì)故障，取消了相關(guān)文獻(xiàn)中所需的假設(shè)——輸出誤差的一階導(dǎo)數(shù)已知、系統(tǒng)狀態(tài)在故障發(fā)生前后必須有界。最后，仿真結(jié)果顯示了所提技術(shù)的有效

5、性。
　　第三，針對(duì)多個(gè)執(zhí)行器發(fā)生故障的情況下，研究了由T-S模糊系統(tǒng)表示的近空間飛行器姿態(tài)動(dòng)態(tài)的容錯(cuò)控制問題。首先，執(zhí)行器故障可表示為系統(tǒng)狀態(tài)的未知函數(shù)。設(shè)計(jì)滑模觀測(cè)器來參數(shù)殘差以便故障的檢測(cè)和分離?；贚yapunov穩(wěn)定理論，提出了新型故障診斷算法。該算法取消了已有成果中某些假設(shè)。接著，針對(duì)兩種情形：狀態(tài)可測(cè)與不可測(cè)，提出了兩種調(diào)節(jié)方案以補(bǔ)償故障。該方案利用模糊邏輯系統(tǒng)（Fuzzy logic systems,FLSs）逼近

6、未知狀態(tài)相關(guān)的執(zhí)行器故障，且不需要故障時(shí)間導(dǎo)數(shù)上界已知的條件。另外，基于Lyapunov穩(wěn)定理論，推導(dǎo)出滑模觀測(cè)器的存在條件。最后，近空間飛行器的仿真結(jié)果說明了所提方法的有效性。
　　第四，研究了一類具有多個(gè)執(zhí)行器故障的不確定非線性系統(tǒng)的容錯(cuò)控制問題，提出了基于觀測(cè)器的容錯(cuò)控制方案。首先設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊觀測(cè)器來提供殘差以便檢測(cè)與分離故障，再利用backstepping方法，提出了一種新型故障診斷算法。該算法不需要輸出誤差的導(dǎo)數(shù)已知

7、的假設(shè)。進(jìn)而，提出了故障調(diào)節(jié)方案。該方案不需要知道故障時(shí)間導(dǎo)數(shù)的上界。所提容錯(cuò)控制器保證閉環(huán)系統(tǒng)中所有信號(hào)是半全局一致終結(jié)有界，且收斂到原點(diǎn)的一個(gè)小鄰域內(nèi)。最后，利用一個(gè)數(shù)值算例來說明所提容錯(cuò)控制方法的有效性。
　　第五，研究了一類具有執(zhí)行器故障的高次非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)主動(dòng)容錯(cuò)問題。假設(shè)執(zhí)行器故障不具有傳統(tǒng)的關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)、控制輸入的仿射形式。在分析傳統(tǒng)的被動(dòng)、主動(dòng)容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用所挖掘的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基函數(shù)有關(guān)特

8、性和隱含數(shù)定理，提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)容錯(cuò)控制框架。與文獻(xiàn)中現(xiàn)有成果相比，該容錯(cuò)控制框架能使故障出現(xiàn)與故障調(diào)節(jié)之間的時(shí)間間隔（稱之為故障診斷所誘導(dǎo)的時(shí)滯）最小，進(jìn)而減少該時(shí)滯對(duì)系統(tǒng)性能的負(fù)面影響。而且，該控制方案不需要額外的故障檢測(cè)、分離模塊。最后，仿真結(jié)果說明了所提容錯(cuò)控制方法的有效性。
　　第六，研究了一類非線性時(shí)滯系統(tǒng)的故障檢測(cè)問題。假設(shè)所考慮的時(shí)滯為未知常數(shù)。為了克服已有結(jié)果中的缺點(diǎn)——故障診斷觀測(cè)器中含有未知時(shí)滯，

9、提出了一種新型自適應(yīng)模糊觀測(cè)器。該觀測(cè)器能夠在線估計(jì)未知時(shí)滯常數(shù)，保證觀測(cè)誤差是有界的且顯示了該觀測(cè)器的收斂性。另外，推導(dǎo)了該觀測(cè)器存在的充分條件。最后，仿真結(jié)果說明了所提算法的有效性。
　　第七，眾所周知，在故障出現(xiàn)與最終故障調(diào)節(jié)之間總存在一定時(shí)滯。本文稱之為故障診斷所誘導(dǎo)的時(shí)滯。該時(shí)滯將導(dǎo)致系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性的嚴(yán)重?fù)p失。本文研究了該時(shí)滯對(duì)系統(tǒng)性能的負(fù)面影響。首先，設(shè)計(jì)故障診斷模塊來診斷傳感器故障。該故障不僅包含時(shí)變偏置故障還含有

10、時(shí)變?cè)鲆婀收稀Ｍ瑫r(shí)，計(jì)算出故障診斷的每一步所花費(fèi)的時(shí)間，并嚴(yán)格推導(dǎo)出其解析表達(dá)式。進(jìn)而，分析故障診斷所誘導(dǎo)的時(shí)滯對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在此基礎(chǔ)上，給出了故障必須滿足的條件使得即使在標(biāo)稱控制器控制下故障系統(tǒng)在該時(shí)滯內(nèi)仍是有界甚至是穩(wěn)定的，即故障的幅度必須滿足一定條件。另外，提出了相應(yīng)地解決方案以減少該時(shí)滯的負(fù)面影響。最后，近空間飛行器的仿真結(jié)果說明了所提方法的有效性。
　　最后，針對(duì)具有執(zhí)行器故障的網(wǎng)絡(luò)化的不確定非線性系統(tǒng)，研究了其協(xié)同