故障診斷與容錯(cuò)控制一體化設(shè)計(jì)及其在飛行器控制中的應(yīng)用.pdf

1、容錯(cuò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是近幾十年來國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱點(diǎn)研究課題之一。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高以及人們對控制系統(tǒng)安全性和可靠性日益高漲的要求,設(shè)計(jì)具有容錯(cuò)能力的控制系統(tǒng)使得當(dāng)系統(tǒng)局部發(fā)生故障后仍能保證整個(gè)系統(tǒng)具有持續(xù)的安全性和可接受的操作性,變得越來越重要。在當(dāng)前容錯(cuò)控制的研究中,主動(dòng)容錯(cuò)控制方法具有很多優(yōu)點(diǎn),例如容錯(cuò)能力強(qiáng)、控制性能好、適應(yīng)范圍廣、成本低、無需增加硬件、易改進(jìn)維護(hù)、可復(fù)制性強(qiáng)等。但是主動(dòng)容錯(cuò)控制方法設(shè)計(jì)難度大,不成熟,仍然面

2、臨著許多問題。因此,對控制系統(tǒng)主動(dòng)容錯(cuò)控制方法的研究具有重大意義。本論文從主動(dòng)容錯(cuò)控制的兩大類方法入手,深入的研究了離線設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制器以及在線優(yōu)化選擇容錯(cuò)控制器的策略,系統(tǒng)的研究了故障診斷與容錯(cuò)控制一體化設(shè)計(jì)方法,并且將所提出的方法應(yīng)用于飛行器容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)。論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果如下:
　　第一,研究了H∞容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)以及在線優(yōu)化選擇H∞容錯(cuò)控制器的策略。將執(zhí)行器故障建模為三種狀態(tài):正常、效率下降和失效,以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了H∞

3、容錯(cuò)控制器,建立了故障模型集合和容錯(cuò)控制器集合之間的多對多可容錯(cuò)控制映射關(guān)系,設(shè)計(jì)了七種方法用來縮小待選容錯(cuò)控制器集合以及多對多可容錯(cuò)控制映射關(guān)系的復(fù)雜度,提出了五種在線優(yōu)化選擇容錯(cuò)控制器策略以滿足不同的設(shè)計(jì)需求,并且考慮當(dāng)故障診斷可能存在錯(cuò)誤時(shí),提出了一種基于錯(cuò)誤故障診斷概率的選擇策略和一種預(yù)選策略來提高可靠性。
　　第二,研究了故障診斷與自適應(yīng)H∞狀態(tài)反饋容錯(cuò)控制一體化設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)了未知輸入觀測器解耦故障觀測器中外界干擾和執(zhí)

4、行器故障,進(jìn)而設(shè)計(jì)了帶射影限制的自適應(yīng)故障參數(shù)跟蹤律實(shí)現(xiàn)故障診斷,利用故障估計(jì)參數(shù),設(shè)計(jì)了自適應(yīng)H∞狀態(tài)反饋容錯(cuò)控制器,根據(jù)故障估計(jì)參數(shù)的變化自適應(yīng)在線重構(gòu)控制器實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制,并且保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和H∞魯棒性,給出了容錯(cuò)控制器的求解方法。
　　第三,研究了故障診斷與自適應(yīng)H∞動(dòng)態(tài)輸出反饋容錯(cuò)控制一體化設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)了改進(jìn)的未知輸入觀測器,既將故障觀測器中外界干擾和執(zhí)行器故障解耦,又保證了所有的執(zhí)行器故障都可以被檢測和診斷,進(jìn)而設(shè)計(jì)

5、了帶射影限制的自適應(yīng)估計(jì)器跟蹤故障參數(shù),利用估計(jì)得到的故障參數(shù),設(shè)計(jì)了自適應(yīng)H∞動(dòng)態(tài)輸出反饋容錯(cuò)控制器使系統(tǒng)穩(wěn)定且滿足自適應(yīng)H∞增益限制,將求解容錯(cuò)控制器的非線性矩陣不等式轉(zhuǎn)化為可解的線性矩陣不等式,并且給出了一體化設(shè)計(jì)的實(shí)施方案。
　　第四,研究了故障診斷與自適應(yīng)魯棒H∞容錯(cuò)控制一體化設(shè)計(jì)方法。提出了在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)造執(zhí)行器自檢測動(dòng)態(tài)系統(tǒng),進(jìn)一步改進(jìn)了未知輸入觀察器,不僅使得故障觀測器中外界干擾與執(zhí)行器故障解耦,而且全面解耦了

6、各執(zhí)行器故障之間的耦合,并給出了此未知輸入觀測器存在的充分必要條件,設(shè)計(jì)了帶射影限制的梯度自適應(yīng)故障參數(shù)跟蹤律,對故障參數(shù)和跟蹤誤差的邊界進(jìn)行估計(jì),利用故障估計(jì)參數(shù)和跟蹤誤差的邊界,設(shè)計(jì)了自適應(yīng)魯棒H∞容錯(cuò)控制器,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和當(dāng)故障估計(jì)參數(shù)劇烈變化時(shí)容錯(cuò)控制的魯棒性,給出了容錯(cuò)控制器的求解方法以及一體化設(shè)計(jì)的實(shí)施方案。
　　本論文提出的方法分別應(yīng)用于簡化的F-18戰(zhàn)斗機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)模型的在線選擇容錯(cuò)控制和一體化設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制、垂