不确定系统鲁棒容错控制

针对不确定线性系统,关于连续型增益故障模式,利用有界实引理和线性矩阵不等式LMI,推导了系统H_∞指标约束下鲁棒镇定及容错控制的充分必要条件,并给出了状态反馈H_∞鲁棒容错控制器的设计方法,从而系统在执行器失效情况下用H_∞指标约束鲁棒容错达到控制的目的.最后,将所提出的鲁棒容错控制方法应用于某一不确定线性系统,仿真结果表明设计的鲁棒控制器不仅能保证系统在执行器失效时闭环系统仍渐近稳定,并且能达到给定的H_∞性能指标,从而验证了所提出方法的可行性和有效性.     

非线性切换系统基于观测器的容错控制器设计

针对一类具有执行器故障的非线性切换系统,研究基于系统状态估计和故障重构的容错控制问题.首先,在具有平均驻留时间(ADT)的切换信号下,设计一种切换PI观测器作为状态-故障估计器,以达到对系统状态和故障同时渐近估计的目的;其次,基于线性矩阵不等式,给出非线性切换系统观测器存在的充分条件;再次,基于PI观测器给出的状态和故障估计,提出一种非线性切换系统的容错控制器设计方法;最后,以一个电子电路为仿真实例进行分析,验证了所提出方法的可行性和适用性.     

基于嵌套自适应观测器的 连铸结晶器振动位移系统有限时间容错控制

针对连铸结晶器振动位移系统存在伺服电机驱动单元等执行器故障和负载转矩扰动问题, 本文提出一种基于嵌套自适应观测器的有限时间容错策略. 首先, 设计一种嵌套自适应观测器在线估计由执行器故障和负载转矩扰动构成的综合不确定项; 其次, 采用分层设计与终端滑模相结合的方法, 分别对位移子系统和电流环子系统设计全阶滑模控制器(FOSMC)和终端滑模控制器补偿综合不确定项, 并通过引入一阶低通滤波器来提高控制信号的连续性. 理论分析表明, 本文所提容错控制策略能够保证闭环系统所有状态有限时间稳定; 最后, 通过仿真对比研究验证了本文所提控制策略的有效性.     

基于迭代学习观测器的航天器姿态主动容错控制

针对含有外部扰动和执行器故障的一类航天器姿态控制系统,本文提出基于迭代学习观测器的主动容错控制方案.首先,建立了含有外部扰动和执行器故障的航天器姿态控制系统的运动学和动力学模型.其次,为了提高观测器的故障估计精度,在传统迭代学习观测器设计基础上引入上一时刻状态估计误差信息,文章提出一种改进型学习估计算法.进一步,基于滑模控制和指定时间稳定理论,利用学习观测器的故障估计信息设计指定时间主动容错控制器.与现有的航天器主动容错控制方案相比,本文所提出的算法的优势在于可以使故障系统的姿态能在指定时间跟踪上指令信号.基于Lyapunov方法,本文从理论上证明了改进型学习观测器和姿态容错控制系统的稳定性.最后,通过数值仿真,说明了所提容错控制方案的有效性和可行性.     

基于学习观测器的航天器指定时间跟踪控制

针对一类含有外部扰动和执行器故障的刚体航天器姿态控制系统,提出一种基于自适应学习观测器的指定时间容错控制器的设计方案.首先,系统性地给出一种改进型自适应学习观测器设计方案,基于自适应学习观测器框架,设计航天器姿态系统的学习观测器实现对系统的综合扰动值估计;然后,利用综合扰动的估计信息和滑模控制理论设计指定时间容错跟踪控制器,使得系统的姿态角能够在指定时间跟踪指令信号,系统的收敛时间可通过容错控制器的参数预先设置,且与系统的初始状态值无关;接着,基于Lyapunov稳定性理论验证含有故障的姿态控制系统能够在指定时间内稳定;最后,通过数值仿真,与已有的观测器和有限时间控制方案进行对比,表明所提出方案的有效性和可行性.     

具有执行器容错的汽车主动悬架系统有限频率H∞控制

本文研究了一类具有执行器容错的主动悬架系统有限频率H_∞控制问题.运用广义的Kalman-Yakubovich-Popov(KYP)引理,设计了有限频率H_∞控制器.该控制器不仅能够最大程度地减少路面在4～8 Hz范围内对乘客的影响,还能够保证汽车的悬架行程和车轮的动静载之比在它们允许的范围内.因此所设计的有限频率H_∞控制器不仅能够保证汽车驾驶的舒适性还能够保证汽车驾驶的安全性.为了解决系统状态不完全可测的问题,本文采用了动态输出反馈控制器策略.除此之外,在控制器的设计过程中还考虑了主动悬架系统的参数不确定性以及执行器随机故障的现象.最后,本文基于四分之一汽车主动悬架系统验证了控制器的有效性.     

基于LMI的一体化鲁棒主动容错控制器设计

针对一类发生执行器故障的非线性系统,提出基于线性矩阵不等式(LMI)的一体化鲁棒主动容错控制器设计方法.首先,设计含自适应律的鲁棒滑模观测器,并将观测器设计方法转化为LMI约束下的凸优化问题,进而实现执行器故障的鲁棒重构;然后,提出基于状态及故障估计的一体化主动容错控制器,同时通过LMI给出控制器增益解算方法;最后,通过数值算例验证容错控制器设计方法的有效性.     

含时滞记忆的非线性时滞系统满意容错控制

针对一类基于T-S模糊模型描述的非线性时滞系统,研究在一般执行器故障模式下的含时滞记忆的鲁棒H∞容错控制器设计问题.针对任意连续型执行器故障模式,采用并行分布式补偿原理设计含记忆型状态反馈控制器,给出非线性时滞系统在执行器发生故障情况下的鲁棒镇定准则.然后给出H∞性能指标约束下的满意容错控制器的设计方法和设计步骤.提出的含时滞记忆的状态反馈控制方法可以确保当执行器发生故障时,闭环系统不仅具有渐近稳定性,而且有一定的抗扰动性能,状态反馈控制器设计的保守性较不含时滞记忆控制器设计方法大大降低.仿真实例验证了鲁棒容错控制策略的有效性.     

多故障并发非线性系统一体化跟踪主动容错控制器设计

针对一类执行器及传感器同时发生故障的非线性系统,综合鲁棒滑模重构观测器及自适应滑模容错控制器设计技术,提出一体化跟踪主动容错控制方案.首先,将系统增维变换为广义系统,运用广义约束逆引入辅助矩阵,采用线性矩阵不等式设计观测器系数矩阵,综合自适应律给出广义鲁棒滑模观测器设计程式;在此基础之上,通过设计鲁棒滑模微分器估计输出向量微分,结合广义鲁棒滑模观测器状态估计结论,实现执行器及传感器故障同时重构.其次,基于故障重构及状态估计结论,提出自适应滑模的跟踪主动容错控制律设计程式.最后,通过开展飞行模拟转台伺服系统数值仿真,检验一体化跟踪主动容错控制器设计方法的有效性.     

切换系统的同时故障估计与容错控制

当切换系统发生故障时,通常需要依次进行故障诊断和容错控制.为了提高切换系统故障诊断的可靠性和容错控制的及时性,本文提出一种同时故障估计与容错控制方法.针对满足平均驻留时间约束的线性切换系统,首先建立了基于状态观测器的同时故障估计与容错控制器,并将其设计问题转化为了加权H∞性能指标下增广误差系统的多目标求解问题.然后使用平均驻留时间技术和多Lyapunov函数方法设计了故障估计与容错控制器的参数,又通过松弛矩阵方法进一步得到了保守性较低的结果.最后,利用一个例子对本文所提方法进行了仿真,证实了该方法的有效性.     

离散时间系统的主动容错控制及飞控应用

针对处理一类线性不确定离散时间系统多重的、同时发生的、突变的舵机故障问题,提出了一种新的故障估计方案。该方案考虑了两种舵机故障模型:舵机卡死和舵机失效。所提出的舵机故障估计方案适用于为战机设计一个H∞容错飞行控制器,用于以零横向加速度跟踪飞机转弯角和俯仰率指令。仿真结果表明,采用H∞容错飞行控制器能够取得较好的控制效果。     

基于自适应迭代学习算法的一类非线性系统故障检测与估计

针对迭代学习算法在非线性系统故障检测与估计过程中存在估计误差较大和收敛速度较慢等不足的问题,提出了一种基于龙格–库塔故障估计观测器模型的自适应迭代学习算法,有效降低了故障估计误差;并引入H∞性能指标,提高了故障估计观测器的收敛速度.该算法首先设计故障检测观测器对故障进行检测,然后设计故障估计观测器,并将自适应算法与迭代学习策略相结合,使得估计故障逐渐逼近真实故障,从而实现对非线性系统中多种常见故障的精确检测与估计.最后,通过机械臂旋转关节驱动电机的执行器故障仿真验证了所提算法的有效性.     

Fault tolerant sliding mode control for T-S fuzzy stochastic time-delay system via a novel sliding mode observer approach

In this paper, a fault estimation and fault-tolerant control problem for a class of T-S fuzzy stochastic time-delay systems with actuator and sensor faults is investigated. A novel sliding mode observer is proposed, which can simultaneously estimate the system states, actuator and sensor faults with good accuracy. Based on the state and actuator fault estimation, a new sliding mode control scheme is developed, which can effectively eliminate the influence of actuator fault. Sufficient conditions for the existence of the proposed observer and fault-tolerant sliding mode controller are provided in terms of linear matrix inequality, and moreover, the reachability of the sliding mode surface can be guaranteed under the proposed control scheme. The propose sliding mode observer and fault-tolerant sliding mode controller can overcome the restrictive assumption that the input matrix of all local modes is the same. Finally, a numerical example is provided to verify the effectiveness of the proposed sliding mode observer and fault-tolerant sliding mode control technique.     

一类机械臂系统自适应有限时间有界H∞跟踪控制

考虑一种电机驱动的单连杆机械臂系统在受到输出约束时的自适应有限时间H∞跟踪控制问题.一个有限时间有界H∞性能的新概念被提出,并结合障碍Lyapunov函数(BLF)、神经网络自适应技术、有限时间控制理论和H_∞控制理论,提出了一种该系统在输出受限条件下的自适应神经有限时间有界H_∞跟踪控制器设计方法,避免了许多有限时间控制文献中控制器设计时出现的奇点问题,实现了该机械臂系统的有限时间有界H_∞轨迹跟踪控制.所设计的控制器保证了系统跟踪误差能够被约束在预先给定的范围内,并且所有状态能在有限时间内收敛到平衡状态的邻域内,同时对外部扰动具有H_∞性能.仿真结果验证了所设计控制器的有效性和优越性.     

Aero‐Engine DCS Fault‐Tolerant Control with Markov Time Delay Based On Augmented Adaptive Sliding Mode Observer

With a focus on aero‐engine distributed control systems (DCSs) with Markov time delay, unknown input disturbance, and sensor and actuator simultaneous faults, a combined fault tolerant algorithm based on the adaptive sliding mode observer is studied. First, an uncertain augmented model of distributed control system is established under the condition of simultaneous sensor and actuator faults, which also considers the influence of the output disturbances. Second, an augmented adaptive sliding mode observer is designed and the linear matrix inequality (LMI) form stability condition of the combined closed‐loop system is deduced. Third, a robust sliding mode fault tolerant controller is designed based on fault estimation of the sliding mode observer, where the theory of predictive control is adopted to suppress the influence of random time delay on system stability. Simulation results indicate that the proposed sliding mode fault tolerant controller can be very effective despite the existence of faults and output disturbances, and is suitable for the simultaneous sensor and actuator faults condition.     

Integrated design of robust fault estimation and fault‐tolerant control against simultaneous actuator and sensor faults

This paper investigates the problems of simultaneous actuator and sensor faults estimation, as well as the fault‐tolerant control scheme for a class of linear continuous‐time systems subject to external disturbances. First, the original system is transformed into a singular form by extending the actuator fault and sensor fault to be parts of the new state. Then, a new estimation technique named non‐fragile proportional‐derivative observer is designed for the singular system to achieve simultaneous estimations of states and faults. With the obtained estimations information, an integrated design of the non‐fragile output feedback fault‐tolerant controller is explored to compensate for the effect of faults by stabilizing the closed‐loop system. Finally, a simulation study on a two‐stage chemical reactor with recycle streams is provided to verify the effectiveness of the proposed approach.     

存在部分解耦扰动的网络化系统容错控制

针对一类存在执行器故障和部分解耦扰动的离散时间网络化控制系统,研究测量数据随机丢失情况下的主动容错控制问题。首先,通过模型转换将原系统化为一个与之等价的状态增广系统;然后在考虑测量数据发生随机丢失情况下,构造未知输入观测器(unknown input observer, UIO)实现对系统状态与故障的联合估计,再基于状态和故障的在线估计值,设计基于信号补偿的容错控制律实现对原系统的主动容错控制。在该容错控制算法中,观测器与控制器增益的存在性条件均可利用李雅普诺夫稳定性理论对误差系统进行随机分析得到,相应的估计器和控制器参数可通过在线求解具有凸约束的矩阵不等式获得。最后,通过一个喷气式发动机模型的仿真算例验证所提出的故障估计与主动容错控制方法的有效性。