幾類非線性系統(tǒng)魯棒故障診斷及容錯(cuò)控制研究.pdf

1、復(fù)雜系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，傳感器、執(zhí)行器及系統(tǒng)內(nèi)部元件都不可避免地會(huì)發(fā)生故障，因此其可靠性、安全性與有效性的要求越來越高。但由于實(shí)際的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)往往呈現(xiàn)非線性，同時(shí)又由于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不確定性的存在，使得上述要求較難滿足。因此，不確定非線性系統(tǒng)的魯棒故障診斷和容錯(cuò)控制技術(shù)越來越受到重視和關(guān)注，已成為控制界的前沿研究課題，也是當(dāng)前國際學(xué)術(shù)界所關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。本文針對幾類不確定非線性系統(tǒng)，基于觀測器方法、自適應(yīng)技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究魯

2、棒故障診斷和容錯(cuò)控制問題。主要研究工作如下： 針對兩類不確定非線性系統(tǒng)，分別研究了基于滑模/自適應(yīng)觀測器估計(jì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的魯棒故障診斷問題。首先在系統(tǒng)故障模型可結(jié)構(gòu)參數(shù)化的前提下，通過微分同胚變換，基于滑模/自適應(yīng)觀測器參數(shù)辨識(shí)方法分別獲得了針對執(zhí)行器型和傳感器型故障的魯棒故障診斷決策邏輯算法。該算法避免了現(xiàn)有文獻(xiàn)中執(zhí)行器或內(nèi)部元件故障參數(shù)辨識(shí)需對系統(tǒng)輸出求導(dǎo)和要求滿秩的條件。進(jìn)一步在系統(tǒng)狀態(tài)完全可測和不完全可測條件下，基于自

3、適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波器，研究了不確定非線性故障檢測和診斷問題，給出了一種新的對突變故障和緩變故障同樣適用且殘差閾值較小的魯棒故障檢測和診斷方法。在狀態(tài)完全可測時(shí)，利用系統(tǒng)狀態(tài)輸入的一種廣義動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了系統(tǒng)故障特性的逼近模型；在狀態(tài)不完全可測時(shí)，利用觀測狀態(tài)輸入的廣義動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了系統(tǒng)故障特性逼近模型。并分別分析和證明了故障檢測的魯棒性和診斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果證明了所提出方法的有效性。 針對一類既存在結(jié)構(gòu)失配也包含參

4、數(shù)失配的不確定非線性系統(tǒng)，提出了一種基于不確定界自適應(yīng)估計(jì)的主動(dòng)魯棒容錯(cuò)控制。在模型失配參數(shù)和結(jié)構(gòu)失配不確定上界自適應(yīng)估計(jì)的魯棒控制下，提出了一種新的殘差閾值較小的故障檢測和診斷算法。當(dāng)檢測到故障已發(fā)生，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供的故障特性函數(shù)，提出了一種修正控制律的自適應(yīng)魯棒容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)方法。該控制器通過補(bǔ)償故障所帶來的影響使閉環(huán)系統(tǒng)一致有界穩(wěn)定。針對無阻塞噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)模型，給出了一個(gè)詳細(xì)的仿真研究，驗(yàn)證了提出的故障診斷和容錯(cuò)控制方法

5、的有效性。與現(xiàn)有的一些研究比較，所給方法具有快速診斷故障和提高容錯(cuò)控制性能的特點(diǎn)。 針對兩類不確定非線性系統(tǒng)，利用一種新的參數(shù)投影方法，分別研究了高性能魯棒自適應(yīng)容錯(cuò)控制器的重構(gòu)設(shè)計(jì)問題。該參數(shù)投影方法將故障模型參數(shù)有界的限制拓展到整個(gè)實(shí)數(shù)空間，從而加快了故障模型參數(shù)自適應(yīng)估計(jì)速度，且估計(jì)值不會(huì)超出預(yù)知界的范圍。針對一類仿射不確定非線性系統(tǒng)，為了達(dá)到較高的跟蹤性能，提出了在線重構(gòu)自適應(yīng)容錯(cuò)控制器的方法。對VanderPol振子仿

6、真研究，驗(yàn)證了提出的容錯(cuò)跟蹤控制方法的有效性。進(jìn)一步，針對一類狀態(tài)完全可觀不確定非線性系統(tǒng)，提出了基于故障診斷和分離信息的兩次容錯(cuò)控制器重構(gòu)的集成魯棒故障診斷和容錯(cuò)控制策略。該策略在魯棒自適應(yīng)控制下設(shè)計(jì)故障檢測和診斷系統(tǒng)；當(dāng)故障檢測出但未分離出之前，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近故障特性模型的診斷信息，重構(gòu)自適應(yīng)容錯(cuò)控制器補(bǔ)償故障對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；當(dāng)基于故障參數(shù)投影自適應(yīng)估計(jì)技術(shù)分離出故障后，利用該分離故障信息，再次重構(gòu)自適應(yīng)容錯(cuò)控制器，提高了故障

7、系統(tǒng)的容錯(cuò)性能。利用一個(gè)磁懸浮非線性系統(tǒng)模型仿真研究，驗(yàn)證了提出的集成魯棒故障診斷和容錯(cuò)控制策略的實(shí)效性。 針對具有非線性故障的不確定系統(tǒng)，基于時(shí)滯優(yōu)化故障模型方法，提出了一種新的魯棒容錯(cuò)控制算法。當(dāng)檢測故障發(fā)生，利用B樣條函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時(shí)滯滾動(dòng)優(yōu)化技術(shù)，建立了系統(tǒng)時(shí)滯優(yōu)化重構(gòu)模型，同時(shí)在模型逼近時(shí)，對系統(tǒng)提出了一種針對緩變故障的自適應(yīng)魯棒容錯(cuò)控制。當(dāng)逼近誤差穩(wěn)定在給定范圍內(nèi)，提出了一種針對突變故障的基于LMI技術(shù)的魯棒容錯(cuò)控制