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LPV系统的鲁棒故障估计与主动容错控制

崔平  
【摘要】: 动态系统的安全性、可靠性和对环境的污染问题日益受到人们的重视,这些要求不仅仅局限于核反应堆、化工过程、飞行器等安全性很重要的系统,而且已经扩展到诸如自主车辆、快速轨道交通等新型系统。故障诊断与容错控制是提高自动化系统可靠性与安全性的有效途径。因此深入研究故障诊断与容错控制技术,不但具有重要的理论意义,而且具有很大的实际应用价值。由于建模不确定性和未知扰动的广泛存在,近年来鲁棒故障诊断也受到了广泛关注。 线性参数变化(LPV)系统是一类特殊的线性系统,其状态空间矩阵(系统状态空间描述中的系数矩阵,简称“状态空间矩阵”)是某些时变参数向量的函数。当这些时变参数沿某给定的参数轨迹变化时,LPV系统就退化为一般的线性时变(LTV)系统;当这些参数为某固定值时,系统退化为线性定常(LTI)系统。而且从实际应用的角度来看,通过沿参数轨迹进行线性化可以将一大类非线性系统转化为LPV系统。因此,有必要研究LPV系统的鲁棒故障诊断与容错控制。目前关于LPV系统的鲁棒故障诊断与容错控制已经引起了广泛关注,成为控制界的热门研究课题之一。 本文重点研究了一类LPV系统的鲁棒故障估计、时滞LPV系统的鲁棒故障估计、LPV系统的鲁棒控制器与鲁棒故障估计器的联合设计、以及基于H∞增益调度技术的主动容错控制问题。本文的创新点主要有以下几点: (1)针对一类LPV系统,提出了一种鲁棒H∞故障估计器的设计方法。这类系统的特点是其状态空间矩阵仿射依赖于时变参数向量。本文首先将鲁棒故障估计问题转化为鲁棒H∞控制问题。然后基于增益调度思想和LPV系统的有界实引理,以线性矩阵不等式的形式给出了LPV故障估计器存在的充分必要条件,并给出了自调度LPV故障估计器的详细构造方法,所构造的LPV故障估计器与被检测对象具有相同的参数依赖关系。最后通过计算机仿真验证了该方法的有效性。 (2)针对一类时滞LPV系统,提出了一种鲁棒故障估计器的设计方法。这类系统的特点是其状态空间矩阵仿射依赖于一组可实时测量的时变参数,系统中存在未知的状态时滞,且时滞的变化率有界。基于H∞控制理论和时滞LPV系统的有界实引理,以线性矩阵不等式为工具,推导了自调度LPV故障估计器存在的充分条件,并给出了一种与被检测对象具有相同参数依赖关系的鲁棒LPV故障估计器的构造方法,所构造的故障估计器能够有效、快速地跟踪故障信号,并且对状态时滞和外界不确定扰动具有良好的鲁棒性。 (3)针对一类仿射参数依赖的不确定LPV系统,提出了一种鲁棒控制器/故障估计器的联合设计方法,即同时设计鲁棒控制器和故障估计器。首先通过引入故障估计误差,将联合设计问题转化为H∞控制问题,再引入虚拟性能块,将鲁棒控制问题转化为鲁棒稳定性问题。然后基于定标H∞理论,给出了LPV系统的定标有界实引理,并在此基础上导出了LPV联合“控制器/故障估计器”存在的充分条件。当条件满足时,给出了该联合“控制器/故障估计器”的构造方法。所构造的LPV联合“控制器/故障估计器”与对象具有相同的参数依赖关系,且能够同时给出鲁棒控制信号和故障估计信号。最后针对一个具有调节器故障的不确定系统进行了仿真研究,验证了方法的有效性。 (4)基于增益调度H∞设计策略提出了一种新的主动容错控制方案。首先针对同时出现传感器故障、部件故障和调节器故障的情形,建立了故障系统的LPV模型。然后在假设故障对系统矩阵的影响可以表示为仿射参数依赖的前提下,基于增益调度H∞理论设计了一种可重构的鲁棒LPV控制器,该控制器为故障影响因子的函数,即控制器的调度变量为故障影响因子,可以利用故障检测与分离机构所产生的残差来对故障影响因子进行在线估计。为了验证所提出的主动容错策略的有效性,针对两级倒立摆系统中的电机测速回路故障问题,设计了主动容错控制器。


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