风能转换系统执行器故障重构与容错控制

针对风能转换系统中执行器故障,论文提出了一种新型的主动容错控制策略.设计滑模故障观测器,实时动态采集执行器故障前后数据信息,对执行器故障进行重构,达到故障诊断的目的.通过补偿控制,保证了滑模控制器对风能转换系统的可靠控制输入,以达到对执行器故障主动容错的功能.仿真结果表明,滑模故障观测器模块能够实时精确地重构风能转换系统执行器故障,主动补偿容错控制器在不影响风能转换系统动态性能的情况下,仍能实现系统的最大风能的捕获.     

一类非线性系统的故障诊断

讨论了一类非线性系统执行器故障的诊断问题.首先应用已有的状态和输出变换,将一类非线性系统转化为两个低维子系统,然后利用滑模观测器设计理论和等价控制的概念重构执行器故障.     

带有执行器故障的非线性系统的H_∞容错控制

为了解决复杂非线性系统执行器故障问题,提高系统的安全性和可靠性,本文针对一类带有执行器故障的非线性系统,提出了一种H∞容错控制方法。在假设非线性项满足李普希茨条件的前提下,利用线性矩阵不等式方法,给出了有干扰和无干扰时控制器存在的充分条件。该条件不仅保证了系统在执行器故障和正常情况下均能达到渐近稳定,而且能满足一定的性能指标,对干扰具有很好的抑制作用。最后将该方法应用到了水下机器人航向控制系统中,仿真效果较好,说明所给方法是有效性。     

机器人系统的加权快速终端滑模主动容错控制

针对受执行器故障的非线性机器人系统,提出一种加权快速终端滑模主动容错控制方法。首先利用观测器估计机器人系统中的执行器故障信息,并通过自适应律对故障未知的界进行估计。然后根据机器人各关节的加权位置误差进一步设计快速终端滑模控制器对获得的故障信息做出补偿,从而实现有限时间主动容错控制。通过李雅普诺夫函数法证明了闭环系统的稳定性,并采用两关节机器人验证了方案的有效性。该方案可以通过对不同关节位置误差权重值的分配来相应地补偿故障的影响,能够在有限时间内使得机器人位置跟踪误差快速收敛且跟踪精度得到提高。     

一类非线性系统的故障检测与容错控制算法

针对仿射非线性系统提出了一种稳定的故障检测及容错控制算法.该算法利用神经网络对系统故障进行建模,在线估计故障向量,监测系统运行情况;在反馈回路中引用故障辅助反馈控制回路,实现容错控制;并基于Lyapunov方法进行了稳定性分析.控制系统可运行于两种模式:系统正常时,采用常规反馈控制器(CC);有故障发生时,引入补偿控制来削弱故障影响,保障系统的正常运行.最后对一类非线性电机的仿真控制结果表明了此容错控制方法的有效性.     

一类受扰非线性系统存在执行器及元件故障时的容错控制

本文研究了一类受扰非线性系统存在执行器及元件故障时的镇定控制问题。新的容错控制算法不需要对执行器故障范围界值进行分析估算,因此与现存的方法相比,设计的控制策略结构更加简单,也不需要大量的在线计算。结果表明,应用所设计的控制方法,不仅保证执行器及元件故障下系统的稳定性,也能够有效抑制那些与状态相关不断增长的干扰对系统的影响。通过Lyapunov稳定性理论分析和仿真,均证明了所设计控制算法的有效性,能保证系统同时存在外界干扰、参数不确定性以及执行器/元件故障时的稳定性.     

一类MISO 最小相位系统的执行器故障自适应容错控制

针对一类具有执行器卡死或/和变执行器故障的多输入单输出(MISO)非线性最小相位系统,提出一种自适应容错跟踪控制方案.采用自适应算法估计系统的不确定性,利用神经网络逼近执行器未知故障函数,以完成执行器组合故障状态下的跟踪控制.所设计的控制律不仅保证了闭环系统稳定,而且所有状态均有界,跟踪误差一致最终有界.仿真结果表明了所提出方法的有效性.     

风能转换系统执行器故障主动容错控制

提出了一种新颖的风能转换系统滑模主动容错控制策略.针对风能转换系统执行器故障,运用预测控制思想和迭代算法,设计了一种故障观测器.在设定的优化时域长度内,利用实际系统与故障观测器的输出差值,通过反复迭代运算,不断地对虚拟故障信号进行调整,使其能有效地拟合实际系统执行器故障,并根据故障观测值实时调整滑模容错控制器结构.未发生故障时,故障观测值为零,系统在滑模控制器控制下稳定运行;执行器发生故障时,运用故障观测值实时调整滑模容错控制项,并用双曲正切函数代替符号函数,消除抖动.仿真实验结果表明,滑模容错控制器下的系统具有良好的容错能力,提高了风能转换系统最大风能捕获效率.     

一类非线性系统的主动容错控制方法

对非线性系统发生多故障时的主动容错控制来说,控制性能的好坏主要取决于故障诊断机构的实时性和精确性;因此利用基于平衡学习的CMAC神经网络非线性辩识算法作为在线故障诊断的手段,在线估计故障函数;并用滑模控制算法进行容错控制律的在线重构,实现容错控制;最后以一三槽水位控制的实际应用为例进行仿真,其结果表明了所提方法的有效性.     

基于滑模控制的卫星姿态控制算法研究

针对卫星姿态控制系统存在外部扰动和执行器故障的情况下,提出一种基于非线性观测器技术和滑模控制理论的容错控制器设计方案。首先,建立含有外部扰动和执行器故障的刚体卫星姿态控制系统运动学方程和动力学方程。然后,通过非线性干扰观测器估计系统中的未知故障,进而利用故障信息基于滑模控制策略设计容错控制器。通过Lyapunov函数证明闭环姿态控制系统的稳定性。最后通过数值仿真验证该容错控制方案的鲁棒性和可行性。     

非线性动态系统的容错控制

首先概要介绍了非线性动态系统容错控制技术的发展现状;然后分类介绍了几种非线性系统的容错控制技术,重点分析了基于人工智能和参数估计的主动容错控制方法和基于Hamilton-Jacobi方程的非线性被动容错控制设计方法。对于其它的方法,则简要讨论了它们的适用范围和优缺点;并探讨了该领域的难点问题和可能的研究方向。     

Finite‐Time Fault‐Tolerant Control for a Class of Non‐Affine Nonlinear System Using Sliding Mode Disturbance Observer

This study investigates a finite‐time fault‐tolerant control scheme for a class of non‐affine nonlinear system with actuator faults and unknown disturbances. A global approximation method is applied to non‐affine nonlinear system to convert it into an affine‐like expression with accuracy. An adaptive terminal sliding mode disturbance observer is proposed to estimate unknown compound disturbances in finite time, including external disturbances and system uncertainties, which enhances system robustness. Controllers based on finite‐time Lyapunov theory are designed to force tracking errors to zero in finite time. Simulation results demonstrate the effectiveness of proposed method.     

非线性系统的主动容错控制

对一般的非线性系统提出了一种新的主动容错控制方法.系统正常工作时,采用基于迭代学习观测器的输出反馈控制策略,控制器为迭代学习观测器的状态和调节参数的函数,此输出反馈控制器能良好地镇定该非线性系统.当系统发生故障后,进行控制器重组,在调节参数的自适应调节律中引入了故障估计的信息,使得系统发生故障后包含故障估计信息的重组控制器仍然能使系统稳定,实现了非线性系统的主动容错控制.计算机模拟显示所提出算法的有效性.     

带有通讯约束的网络化控制系统容错控制技术研究

文中研究了针对具有通讯约束的网络化控制系统存在执行器增益故障的容错控制问题. 提出一种静态调度策略, 利用周期通讯序列的方法调度网络资源及网络可用通道. 该研究的创新处在于首先将具有周期通讯序列及执行器故障的网络化控制系统建模为一个周期的切换系统, 并提出了基于调度依赖的利亚普诺夫函数方法对系统容错控制器进行设计. 由于调度策略使得在每个采样时刻存在数据丢失, 文中分别利用0值和上一时刻采样值替代所丢失的数据. 更进一步的, 当考虑控制对象存在外界能量有界干扰时, 分别就上述两种情况讨论了其鲁棒容错控制器的设计问题. 最后, 通过仿真实例证明了所提方法的有效性.     

A Nonlinear Observer Based Analytical Redundancy for Predictive Fault Tolerant Control of a Steer‐by‐Wire System

In this paper, a nonlinear sliding mode observer, along with a long range linear predictor, is presented for fault tolerant control of a steer by wire system. The long‐range predictor is based on Diophantine identity aimed at improving the fault detection efficiency. The overall predictive fault tolerant control strategy was then implemented and validated on a steer by a wire hardware in loop bench. The experimental results show that the overall robustness of the steer by wire system was not sacrificed through the usage of analytical redundancy for sensors along with the designed fault detection, isolation, and identification algorithm. Moreover, the experimental results indicated that the fault detection speed is improved using the proposed analytical redundancy‐based algorithms for both attenuating and amplifying type faults. The proposed fault detection algorithm was also found to be robust against a wide range of fault types.     

一类非线性时滞过程的传感器主动容错控制

通过结合非线性过程的一般模型控制(GMC)、强跟踪预测器(STP)和强跟踪滤波器(STF),本文提出了一类具有输入时滞非线性时变过程的传感器主动容错控制方法.基于强跟踪预测器对未来状态的预测,传统的一般模型控制被扩展到一类具有输入时滞的非线性过程.然后采用强跟踪滤波器估计过程状态及传感器偏差,传感器偏差估计用于驱动一个故障检测逻辑.当某一传感器故障被检测出来时,STF的状态估计值将用于重构过程输出(代替真实输出),此重构输出被STP用于继续进行状态预测,从而确保系统性能.最后,三容水箱系统仿真结果证明该方法的有效性.     

Robust Sliding Mode Observer based Fault Estimation for Certain Class of Uncertain Nonlinear Systems

This paper proposes a new scheme for estimating the actuator and sensor fault for Lipschitz nonlinear systems with unstructured uncertainties using the sliding mode observer (SMO) technique. Initially, a coordinate transformation is introduced to transform the original state vector into two parts such that the actuator faults only appear in the dynamics of the second state vector. The concept of equivalent output error injection is then employed to estimate the actuator fault. The effects of system uncertainties on the estimation errors of states and faults are minimized by integrating an uncertainty attenuation level into the observer. The sufficient conditions for the state estimation error to be bounded and satisfy a prescribed performance are derived and expressed as a linear matrix inequality (LMI) optimization problem. Furthermore, the proposed actuator fault estimation method is extended to sensor fault estimation. Finally, the effectiveness of the proposed scheme in estimating actuator and sensor faults has been illustrated considering an example of a single‐link flexible joint robot system.     

Fault‐Tolerant Control Allocation for Overactuated Nonlinear Systems

This paper addresses the problem of fault‐tolerant control allocation for input affine nonlinear systems. The proposed scheme is divided in three main tasks: fault detection and estimation using a nonlinear observer, fault isolation through a bank of unknown input observers with a resetting policy to reduce the effects of nonlinearities and control reconfiguration based on reduced order allocation. Analytical results regarding the isolability and reconfigurability of actuator faults are derived and a simulation example is used to illustrate the the proposed fault tolerant control methodology.     

Simultaneous Actuator and Sensor Faults Reconstruction Based on Robust Sliding Mode Observer for a Class of Nonlinear Systems

This paper proposes a new robust fault reconstruction and estimation design for a class of nonlinear system described by the Takagi‐Sugeno model with unmeasurable premise variables subject to faults affecting actuators, sensor faults, and unknown disturbances. The augmented Takagi‐Sugeno system is introduced with a new fault vector which has two origins: the first one represents actuator faults, the second one denotes faults affecting sensors. The main contribution is focused primarily to conceive a sliding mode observer with two discontinuous terms designed to compensate for fault behavior and disturbance variation from the system states estimation. In the formalism of linear matrix inequalities, we derive sufficient conditions to guarantee the state estimation error stability and to obtain the observer gains. Meanwhile, additional effort is made to achieve simultaneous faults and disturbance reconstruction. Simulation results are given to illustrate the proposed approach performances.