基于观测器的动态系统故障估计和调节

【摘要】：由于对实际工业过程控制系统安全性与可靠性的要求日益提高，动态系统的故障诊断与容错控制的研究受到越来越多的关注。用故障调节来提高系统的稳定性和可靠性是有效方法之一，因此得到了广泛而深入地研究并成为最近几年研究的一个热点。故障检测技术是用于检测系统是否发生了故障，是故障调节的第一个环节。故障估计则要在故障检测的基础上，在线估计出故障的幅值，是故障调节中一个非常重要的环节，因为附加控制器是依据故障估计值设计的。相比于故障检测，故障估计的设计难度无疑增加了许多，因此故障估计和调节的研究是更富有挑战性的。虽然近几年动态系统的故障估计和调节取得了一些研究成果，但是目前常用的设计方法各自均存在着一定的设计难点，正是这些设计难点限制了各自的应用。因此，故障估计和调节问题仍是一个有待深入研究的课题。本文研究了基于观测器的动态系统故障估计和调节理论方法与技术，建立起了一套系统、全面的，包括连续和离散系统的故障估计和调节理论框架。论文的主要工作如下： 首先，针对传统自适应故障估计(CAFE)算法难以满足故障估计性能问题，提出了一种新的快速自适应故障估计(FAFE)算法，显著提升了故障估计的性能，包括快速性和准确性。然后，对其证明过程进行了改进，通过不等式变换消除了存在的等式约束。进一步，将提出的FAFE算法推广到了时滞系统。基于松弛矩阵设计思想，研究了快时变时滞系统的故障估计，解决了CAFE算法仅适用于慢时变时滞系统的设计难点，并且研究了中立时滞系统的故障估计，解决了CAFE算法难以应用于此类系统的技术难点。 其次，针对一类特定的执行器损伤故障，提出了基于自适应观测器的快速执行器损伤故障估计算法。同时，基于在线获取的故障估计值，给出了一种故障调节设计方案。值得注意的是，提出的故障估计观测器和故障调节是分开设计的，南南简化了设计过程。当执行器发生损伤故障时，给出的故障调节方案可以确保整个系统是渐近稳定的。 再次，针对自适应观测器需要误差系统满足严格正实(SPR)条件，提出了一种全阶故障估计观测器(FFEO)设计方法，并基于此设计了基于动态输出反馈的故障调节。这种观测器设计比自适应观测器具有更广的应用范围。进一步，提出了基于动态输出反馈的故障调节设计方案，有效地避免了基于观测器的状态反馈容错控制器的设计难点。同时，将此研究结果推广到离散系统，得到了离散系统的故障估计和调节设计方法。 然后，在FFEO设计基础上研究了一种降阶故障估计观测器(RFEO)方法，基于此设计了基于静态输出反馈的故障调节。这种RFEO保留了FFEO较为宽广的应用范围，而且由RFEO推出的在线故障估计子可以包含系统当前的输出信息以提升故障估计的性能。然后，基于松弛矩阵方法，提出了一种基于静态输出反馈的故障调节方案。进一步，将连续系统的研究结果推广到离散系统，得到了相应的离散系统故障估计和调节研究结果。 进一步，针对现阶段基于Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型的非线性系统故障估计和调节鲜有研究的现状，将提出的故障估计和调节设计方法推广到了基于T-S模糊模型的非线性系统，给出了T-S模糊模型的故障估计和调节设计方法。我们的研究涉及到了连续、离散系统的故障估计和调节，丰富了该领域的研究内容。 最后，为了验证提出理论方法的实用价值，将提出的部分理论应用到了三自由度直升机飞控平台。给出的故障估计设计方法可以实时在线估计出发生的执行器故障，基于在线的故障估计值，故障调节方案能够恢复系统的性能。实验结果表明了取出的研究结果对于提高飞控系统可靠性和安全性等研究具有一定的理论参考价值，且具有较为广泛的应用前景。