基于多模型的自適應(yīng)容錯(cuò)控制.pdf

1、系統(tǒng)故障，如執(zhí)行器故障和結(jié)構(gòu)損傷，可能造成系統(tǒng)的性能惡化甚至導(dǎo)致災(zāi)難性事故。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性和可靠性，具有故障補(bǔ)償能力的容錯(cuò)控制受到了廣泛的關(guān)注，其已經(jīng)成為控制領(lǐng)域一個(gè)非常重要的研究方向，并在諸多新興領(lǐng)域得到了實(shí)際的應(yīng)用。
　　自適應(yīng)控制因其具有有效處理系統(tǒng)不確定性的能力而被廣泛地用于故障補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)，形成了大量行之有效的自適應(yīng)容錯(cuò)控制算法，然而目前仍有一些重要的開(kāi)放性的問(wèn)題亟待解決，如當(dāng)包含多個(gè)具有不同故障模式的執(zhí)行器故障或

2、發(fā)生大的結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，系統(tǒng)將出現(xiàn)較大的不確定性，而傳統(tǒng)的自適應(yīng)方法無(wú)法對(duì)這類問(wèn)題進(jìn)行有效的補(bǔ)償。
　　本文深入研究了基于多模型的自適應(yīng)控制方法，擴(kuò)展了其處理系統(tǒng)不確定性的能力，并提出了新的多模型自適應(yīng)容錯(cuò)控制策略，以補(bǔ)償系統(tǒng)故障(執(zhí)行器故障和結(jié)構(gòu)損傷)造成的參數(shù)或結(jié)構(gòu)的不確定性。本文通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程的描述、系統(tǒng)性能的分析以及在飛行控制系統(tǒng)中的大量仿真，闡述了基于多模型的自適應(yīng)故障補(bǔ)償控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，展示了其無(wú)需故障檢測(cè)可以快速有效地進(jìn)

3、行故障補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的多模型自適應(yīng)容錯(cuò)控制策略不僅具有傳統(tǒng)多模型自適應(yīng)控制策略改善系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的能力，而且具有其不具備的使系統(tǒng)在存在因故障引起的不確定性的情況下仍然保持期望的系統(tǒng)性能的能力。本文研究了連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的相關(guān)問(wèn)題，得到了較為廣泛和系統(tǒng)的研究結(jié)果，其主要包括：
　　(1)基于間接或直接的模型參考自適應(yīng)控制構(gòu)建了多模型自適應(yīng)控制框架，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)性能的改善。針對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)

4、設(shè)計(jì)了多模型間接自適應(yīng)控制策略，其包括設(shè)計(jì)多個(gè)具有屬于不同參數(shù)子空間的初值的估計(jì)器估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)估計(jì)的參數(shù)計(jì)算控制器參數(shù)得到多個(gè)控制器，并基于估計(jì)誤差設(shè)計(jì)性能損失函數(shù)確定最合適的當(dāng)前控制器。不同于間接的方法，多模型直接自適應(yīng)控制策略直接地更新多組具有不同初值的控制器參數(shù)得到多個(gè)控制器，并根據(jù)估計(jì)誤差確定當(dāng)前控制器(該誤差與跟蹤誤差密切相關(guān)，且被直接地用于控制器參數(shù)更新)，從而避免了控制增益奇異的問(wèn)題。通過(guò)將多模型直接自適應(yīng)控制策略分

5、別用于單輸入單輸出和多輸入多輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)，展示了其設(shè)計(jì)過(guò)程和優(yōu)勢(shì)。
　　(2)基于間接模型參考自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)了多模型自適應(yīng)執(zhí)行器故障補(bǔ)償控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)具有不同故障模式的未知執(zhí)行器故障的有效補(bǔ)償。該策略分別針對(duì)連續(xù)系統(tǒng)和根據(jù)其得到的離散系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一組系統(tǒng)和故障參數(shù)的估計(jì)器，每個(gè)估計(jì)器對(duì)應(yīng)于故障模式集中一種可能的故障模式，再根據(jù)估計(jì)的參數(shù)計(jì)算得到每種故障模式下的控制器，并基于估計(jì)誤差設(shè)計(jì)了切換機(jī)制確定最合適的當(dāng)前控制器，從而實(shí)現(xiàn)

6、對(duì)故障模式、故障時(shí)間和故障值都未知的執(zhí)行器故障的補(bǔ)償。
　　(3)設(shè)計(jì)了多層多模型自適應(yīng)執(zhí)行器故障補(bǔ)償控制策略，在有效補(bǔ)償未知執(zhí)行器故障的同時(shí)改善了系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。通過(guò)針對(duì)每種故障模式分別設(shè)計(jì)一個(gè)直接自適應(yīng)控制器和設(shè)計(jì)基于估計(jì)誤差設(shè)計(jì)切換機(jī)制，得到了基本多模型自適應(yīng)執(zhí)行器故障補(bǔ)償策略。其次，通過(guò)將每種故障模式對(duì)應(yīng)的控制器擴(kuò)展為一組自適應(yīng)控制器，設(shè)計(jì)了多層多模型自適應(yīng)控制策略，改善了具有未知執(zhí)行器故障的系統(tǒng)的瞬態(tài)性能，其擴(kuò)展的自適應(yīng)

7、控制器可以是一組具有不同參數(shù)估計(jì)初值的控制器(以構(gòu)成二層多模型控制策略)也可以是一組具有不同參數(shù)估計(jì)初值的控制器子組，每個(gè)子組由具有相同的參數(shù)估計(jì)初值和不同自適應(yīng)增益的控制器組成(以構(gòu)成三層多模型控制策略)。
　　(4)設(shè)計(jì)了新的多模型自適應(yīng)控制策略補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損傷造成的不確定性。為了處理結(jié)構(gòu)損傷造成的不確定的驅(qū)動(dòng)符號(hào)的問(wèn)題，對(duì)多種可能的驅(qū)動(dòng)符號(hào)設(shè)計(jì)了一組由不同自適應(yīng)律進(jìn)行參數(shù)更新的控制器，每個(gè)控制器對(duì)應(yīng)于一種驅(qū)動(dòng)符號(hào)，并基于估計(jì)

8、誤差設(shè)計(jì)了切換機(jī)制確定最適合的當(dāng)前控制器。為了處理結(jié)構(gòu)損傷造成的狀態(tài)反饋狀態(tài)跟蹤問(wèn)題的匹配不確定性，構(gòu)造了多個(gè)參考模型(只要求其中的一個(gè)與系統(tǒng)模型匹配)，并基于這些參考模型設(shè)計(jì)了多個(gè)自適應(yīng)控制器和基于多個(gè)估計(jì)誤差的切換機(jī)制。
　　(5)針對(duì)以近空間飛行器為背景的一類非線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多模型自適應(yīng)執(zhí)行器故障補(bǔ)償控制策略，其包括基于多個(gè)故障參數(shù)估計(jì)器的一組控制器(每個(gè)控制器針對(duì)故障模式集中的一個(gè)故障模式進(jìn)行設(shè)計(jì))和切換機(jī)制(其基于估計(jì)誤