基于自适应技术的分布式系统容错控制

【摘要】：随着控制系统在人类各个领域广泛普及化,社会发展对控制系统的依赖程度越来越高。系统设备的安全性、可靠性和有效性的受到人们极大关注。容错技术的出现和发展,为提高系统的安全性与可靠性开辟了一条新的途径。容错控制系统的特点表现在当系统执行器、传感器、对象本身发生故障时,系统的安全运行仍然得到保障并保持满意性能。近些年来,随着复杂网络分布式控制系统在工业中应用的兴起,执行器和传感器在空间上大量分布,加上随着网络的作用日显突出,网络安全性又受到极大关注。因此人们对容错问题又有了更多的重视和要求。 在过去三十年的容错控制发展中,基于鲁棒控制技术的被动容错控制对预先给定的故障模式设计固定增益控制器,使系统的反馈对故障起到不敏感的作用并优化不同故障模式下的性能。而通过在线调节控制器的主动容错控制补偿故障所带来的影响,使系统稳定并保持满意性能。不同于故障诊断方法需要诊断机构提供较为精确的故障诊断信号,主动容错方法中的自适应方法不需要自适应机构精确估计故障,从而不会产生故障误诊导致容错失败。基于自适应方法的容错控制,现有文献结果主要考虑参数化卡死故障的补偿问题。通过合理设计自适应控制器补偿时变失效和非参数化卡死故障问题,以及系统的干扰抑制问题和优化不同模式下的性能问题并未得到充分考虑。 另一方面是对带有关联链接失效的分布式控制系统的容错控制问题。在复杂大系统中,各个子系统通过关联链接或者网络传递信息,所传递的信息决定着分布式系统的稳定性、收敛性和协调同步性等特性。但在以往研究的分布式系统中,很少有考虑关联链接失效和通道被扰动干扰的情况。并且分布式系统由大量的执行器和传感器组成,元部件发生故障几率大大增加。因此,对分布式系统的容错控制研究很有意义。 本论文在总结前人工作的基础上,对传统的线性时不变系统和分布式大系统的容错问题进行了研究。一方面,考虑时变失效和非参数化时变卡死故障的容错问题,利用自适应方法在线调节控制器,补偿故障带来的影响,并且使系统针对有界扰动有干扰抑制能力。进一步的将被动容错中的线性矩阵不等式技术与主动容错自适应方法相结合,使系统不仅能补偿卡死故障,而且能优化性能。所采用的模式依赖Lyapunov方法减小了寻优性能中的保守性,并将部分理论研究成果应用到F-16飞机模型,F-18飞机模型和火箭整流罩模型容错设计仿真研究中。另一方面,设计自适应控制器保证分布式控制系统在关联链接和执行器发生故障的情况下,能渐近跟踪参考模型,甚至在网络恶化情况下使复杂网络能保持同步特性。 具体工作如下： 第1-2章系统地分析和总结了容错控制和分布式系统这一前沿研究领域的发展现状及研究方法,并给出了与本文相关的一些预备知识。 第3章研究了连续时间系统执行器失效和非参数化卡死故障,以及外部扰动下的鲁棒自适应容错控制器设计问题。第一部分考虑用间接自适应方法设计容错控制器。给出自适应率分别估计常值失效因子和非参数化卡死故障以及外部扰动的上下界,利用所得到的自适应信号在线调节控制器,完全补偿故障和扰动的影响。第二部分则考虑用直接自适应方法设计容错控制器。提出自适应率直接估计控制器增益并设计一个自适应控制增益方程,通过自适应信号构成的控制器完全补偿执行器故障和外部扰动使系统渐近稳定。并且通过数值仿真例子进一步表明所提出的两种自适应方法的有效性。 第4章是在第3章基础上,研究具有性能优化特性的自适应状态反馈和动态输出反馈容错控制器设计。所设计的控制器由H∞控制增益和自适应控制增益方程构成。利用LMI理论,提出模式依赖Lyapunov方法分离故障和系统矩阵,使其对每个故障模式都有对应的一个Lyapunov方程。然后利用迭代方法,得到优化H∞性能并计算出控制增益。这种方法减小了对不同故障模式用同一Lyapunov方程的方法的保守性。同时,设计自适应控制增益方程,完全补偿执行器故障和外部扰动,得到具有性能优化功能的自适应容错控制器。其中状态输出反馈控制器在第一部分被研究,并且把控制器应用到飞行器控制系统,使系统渐近跟踪参考信号。第二部分则研究动态输出反馈控制器得到E-稳定结果,通过一个飞行器控制系统模型数值例子表明了所提出技术的有效性。 第5-6章研究了分布式控制系统执行器和关联链接有故障并且通道扰动存在情况下的稳定性和渐近跟踪问题。第5章针对分布式系统链接失效和扰动存在情况下,提出自适应率调节分布式控制器参数,设计直接自适应分布式状态反馈控制器解决基于积分器的跟踪问题。第6章则研究链接失效和执行器故障情况下的分布式系统稳定性和模型参考跟踪问题。其中第一节设计自适应率同时估计失效因子,以及控制器参数和常值扰动,构造分布式状态反馈控制器保证分布式系统渐近稳定。第二节基于直接自适应方法研究了分布式时滞系统执行器卡死和链接失效情况下的模型参考跟踪问题。仿真算例验证了这两章提出方法的有效性。 第7章研究了动态复杂网络在非理想网络和网络恶化情况下的同步性问题。第一部分提出自适应率分别估计未知的网络耦合参数,由网络时延和通道扰动引起的通信状态误差的上下界,和外部扰动上下界,通过自适应机构信息构造分布式鲁棒控制器使动态复杂网络满足一致性要求。第二部分针对一类不确定的复杂网络,在网络恶化情况下,设计自适应率估计网络耦合参数和自适应控制增益方程,得到全反馈控制器和pinning控制器,分别使网络达到同步和同步误差有界。仿真算例验证了这两种方法的有效性。 最后对全文所做的工作进行了总结,并指明了下一步研究的方向。