动态系统执行器故障的主动容错控制研究

【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。到目前为止,线性系统的容错控制理论已经基本发展成熟,非线性系统的容错控制研究取得的成果相对较少,而切换系统的容错控制研究才刚刚起步。本文主要研究了非线性系统和切换线性系统执行器故障的主动容错控制问题。 考虑到目前非线性系统执行器故障的容错控制研究并不充分,我们首先研究了一类非线性系统匹配的执行器故障的容错控制问题,提出了一种扩展的故障估计观测器以获取故障信息,在此基础上,我们利用获取的故障信息设计了容错控制器并证明了它的有效性。接着本文研究了可反馈线性化系统发生不匹配的执行器故障的情况,利用上述观测器和级联设计方法同时克服了故障估计和容错控制器设计的困难,证明了所提方法的有效性。 在上面的研究过程中我们发现:控制律重构时,从正常的控制器切换到容错控制器会引发系统不期望的暂态,选用不同的重构时刻引发的暂态并不相同。而以往的文献对重构时刻的选取并没有统一的方法。于是,本文针对典型的主动容错控制系统研究了重构时刻的选择问题,利用微分对策理论提出了两阶段优化策略,为重构时刻的选取提供了理论依据和相应的算法。 最后,本文考虑了切换线性系统切换故障的容错控制问题,这一问题在以往的文献中几乎没有结果。我们针对一类时间驱动的切换线性系统,线性周期切换系统,利用优化的方法设计了故障诊断算法,克服了故障分离的困难。为了恢复正常系统的性能,我们提出了“模式匹配”的思想,即利用可以正常切换到的子系统恢复不能被正常切换到的子系统的性能。此外,针对一类状态驱动的切换线性系统,本文提出了“缓冲区域”的概念,集成设计了正常控制器和故障诊断单元,克服了故障分离的困难,在此基础上设计了相应的容错控制策略并证明了该策略的有效性。