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时滞系统容错控制若干方法研究

吴军生  
【摘要】: 容错控制技术是提高动态系统安全性、可靠性的一种极为重要的途径,因而深入研究容错控制技术,不但具有重要的理论意义,而且也具有巨大的实际应用价值。目前关于容错控制技术的研究引起了广泛关注,已经成为控制界的热门研究课题之一。在各类工业系统中,时滞现象是极其普遍的,如长管道进料或皮带传输、极缓慢的过程或复杂的在线分析仪等均存在时滞现象,这都可归结为时滞系统模型。时滞的存在使得系统的分析和综合变得更加复杂和困难,同时时滞的存在也往往是系统不稳定和系统性能变差的根源。正是在这一背景下,本文系统地研究了时滞系统的容错控制方法,主要内容及研究成果如下: 研究了带有执行器故障的变时滞不确定系统的鲁棒可靠控制。给出了系统在正常运行和带有可预期执行器故障情况下,闭环系统保持二次稳定的时滞依赖充分条件。运用线性矩阵不等式方法给出了可靠状态反馈控制的综合方法。该方法相对于时滞独立条件下得到的结果,具有较小的保守性。 研究了线性状态时滞不确定系统部分传感器和执行器同时失效的容错控制问题。给出了带有时滞的状态反馈控制的设计方法。采用该方法设计的容错控制系统能够在保证系统闭环稳定的同时满足给定的性能指标,所设计的状态反馈控制器含有时滞项,可以减小时滞对闭环系统带来的影响。问题解存在的条件以线性矩阵不等式的形式给出。H∞ 研究了多状态时滞系统的主动容错控制问题。基于广义内模控制,给出了两种容错控制的设计方法。第一种方法基于Youla控制器参数化,将闭环系统控制器设计纳入广义内模控制的框架;设计得到的控制器由两部分构成,分别针对系统的性能和鲁棒性。如果系统没有发生故障,只有针对性能设计的控制器起作用;而当系统发生故障,针对鲁棒性设计的控制器才会起作用。第二种方法在广义内模控制的结构下,利用互质分解方法设计了故障残差产生器,通过将故障诊断问题转化为H∞控制问题,从而引入了一类新的故障诊断性能指标;据此性能指标,给出了残差后滤波器的设计方法,该后滤波器可以实现故障信号的渐近估计。在故障估计的基础上,利用故障补偿实现了闭环系统的容错功能。该方法可视为故障检测与容错控制之间的桥梁,给出了故障残差与真实故障之间的对应关系。通过仿真研究验证了两种方法的有效性,并基于仿真结果对两种方法进行了对比分析。 研究了带有不确定性的时变时滞系统的容错控制。基于滑模控制提出了一种容错控制设计方法。线性滑动平面存在的时滞依赖充分条件以线性矩阵不等式(LMI)可行性问题的形式给出,该滑动平面如果存在,即可以保证由原系统得到的降阶等价系统的轨迹在有限时间内收敛于该平面。基于这个滑动平面,设计了一种可以作为容错控制的到达控制。该控制可使得带有模型不确定性、扰动输入和执行器故障的闭环系统保持二次稳定,具有容错功能。 研究了线性变参数时滞系统的主动容错控制问题。在参数的凸条件约束和系统参数矩阵的仿射依赖条件假设下,利用线性分式变换,将故障滤波器设计问题转化为H∞控制器设计问题,给出了该变参数控制器的存在条件和增益求解方法,并给出了故障补偿的设计方法。将故障诊断与容错控制设计问题变为H∞控制器设计问题的思想可以推广到其他类型的系统。 采用一种基于Newton-Raphson算法的渐进式容错控制设计方法研究了带有参数故障的时滞系统的容错控制问题。该方法可明显降低由于控制增益计算和实施所带来的延迟而造成的性能损失和系统失稳的危险。该方法考虑非理想状况,即容错控制的实施不是在故障诊断结束之后立刻进行,因而实用性更强。


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