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线性时滞系统鲁棒H_∞故障估计与主动容错控制

董全超  
【摘要】: 时滞广泛存在于各类工业系统中,不仅是系统不稳定的主要原因,也常常是导致实际控制系统性能恶化的主要因素。随着生产实践对于设备和被控系统安全性、可靠性要求的不断提高,时滞系统故障估计与主动容错控制问题已引起国际自动控制界的广泛关注。此外,目前取得的相关成果几乎都集中在全频范围内,但在实际中,特别是航空航天领域和化工过程中,故障通常发生在低频范围内。对于有限频域内时滞系统故障估计与主动容错控制的研究具有重要意义。本论文分别针对几类不同的时滞系统,在全频范围内和有限频域内开展基于观测器的鲁棒H∞故障估计与主动容错控制问题研究,论文的主要研究工作及创新之处如下: 1.基于H∞滤波思想,研究了受非线性摄动影响的时滞系统鲁棒H∞故障估计问题。设计基于观测器的故障检测滤波器作为故障估计器,通过选取适当的加权函数,将鲁棒H∞故障估计问题转化为H∞滤波问题。构造Lyapunov-Krasovskii泛函,推导并证明故障检测滤波器存在的依赖于时滞的充分条件。分别利用不等式技术和锥形补方法,给出求解观测器增益矩阵的算法。 2.基于广义坐标变换,提出一种线性时滞系统H∞故障估计的有限频域方法。利用广义Kalman-Yakubovich-Popov引理,给出H∞故障估计器满足有限频域估计性能的充分条件和观测器增益矩阵的解。因为充分考虑了可能发生故障的频率范围,提出的有限频域方法比传统的全频方法具有更好的估计效果。 3.采用一种具有广义内模控制结构的反馈控制器,研究一类线性时滞系统的H∞故障估计与补偿问题。提出一种反映故障动态行为的参考故障模型,应用基于观测器的故障估计器在线估计故障,并将故障估计用于反馈控制的故障补偿。分别通过常规方法和采用时滞分解方法选取Lyapunov-Krasovskii泛函,推导并证明问题可解的充分条件,最后给出主动容错控制系统的设计方法。利用时滞分解方法,随着时滞分解区间的增多,允许的最大时滞增大,保守性减小。 4.提出一种线性时滞系统H∞故障估计与补偿的有限频域方法。采用基于广义内模控制结构的H∞控制器和基于观测器的故障估计器,将故障估计用于反馈控制的故障补偿。利用时滞系统的广义Kalman-Yakubovich-Popov引理,推导并证明了问题可解的充分条件,给出了主动容错控制系统的设计步骤。因为充分考虑了可能发生故障的频率范围,提出的有限频域方法比传统的全频方法具有更好的控制效果。 5.提出一种基于残差反馈的主动容错控制器形式,即采用残差而不是故障估计来构造主动容错控制器并对故障进行补偿。利用时滞系统的广义Kalman-Yakubovich-Popov引理,推导和证明了故障检测滤波器与主动容错控制器满足有限频域性能指标的充分条件,并给出了求解增益矩阵的迭代线性矩阵不等式算法,最后给出主动容错控制系统的设计步骤。


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