LPV系統(tǒng)的魯棒故障估計(jì)與主動(dòng)容錯(cuò)控制.pdf

1、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的安全性、可靠性和對(duì)環(huán)境的污染問題日益受到人們的重視,這些要求不僅僅局限于核反應(yīng)堆、化工過程、飛行器等安全性很重要的系統(tǒng),而且已經(jīng)擴(kuò)展到諸如自主車輛、快速軌道交通等新型系統(tǒng)。故障診斷與容錯(cuò)控制是提高自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性與安全性的有效途徑。因此深入研究故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù),不但具有重要的理論意義,而且具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。由于建模不確定性和未知擾動(dòng)的廣泛存在,近年來魯棒故障診斷也受到了廣泛關(guān)注。線性參數(shù)變化(LPV)系統(tǒng)是一類特殊

2、的線性系統(tǒng),其狀態(tài)空間矩陣(系統(tǒng)狀態(tài)空間描述中的系數(shù)矩陣,簡(jiǎn)稱“狀態(tài)空間矩陣”)是某些時(shí)變參數(shù)向量的函數(shù)。當(dāng)這些時(shí)變參數(shù)沿某給定的參數(shù)軌跡變化時(shí),LPV系統(tǒng)就退化為一般的線性時(shí)變(LTV)系統(tǒng)；當(dāng)這些參數(shù)為某固定值時(shí),系統(tǒng)退化為線性定常(LTI)系統(tǒng)。而且從實(shí)際應(yīng)用的角度來看,通過沿參數(shù)軌跡進(jìn)行線性化可以將一大類非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為LPV系統(tǒng)。因此,有必要研究LPV系統(tǒng)的魯棒故障診斷與容錯(cuò)控制。目前關(guān)于LPV系統(tǒng)的魯棒故障診斷與容錯(cuò)控制已經(jīng)

3、引起了廣泛關(guān)注,成為控制界的熱門研究課題之一。本文重點(diǎn)研究了一類LPV系統(tǒng)的魯棒故障估計(jì)、時(shí)滯LPV系統(tǒng)的魯棒故障估計(jì)、LPV系統(tǒng)的魯棒控制器與魯棒故障估計(jì)器的聯(lián)合設(shè)計(jì)、以及基于H∞增益調(diào)度技術(shù)的主動(dòng)容錯(cuò)控制問題。本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：(1)針對(duì)一類LPV系統(tǒng),提出了一種魯棒H∞故障估計(jì)器的設(shè)計(jì)方法。這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是其狀態(tài)空間矩陣仿射依賴于時(shí)變參數(shù)向量。本文首先將魯棒故障估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為魯棒H∞控制問題。然后基于增益調(diào)度思想和LPV

4、系統(tǒng)的有界實(shí)引理,以線性矩陣不等式的形式給出了LPV故障估計(jì)器存在的充分必要條件,并給出了自調(diào)度LPV故障估計(jì)器的詳細(xì)構(gòu)造方法,所構(gòu)造的LPV故障估計(jì)器與被檢測(cè)對(duì)象具有相同的參數(shù)依賴關(guān)系。最后通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。(2)針對(duì)一類時(shí)滯LPV系統(tǒng),提出了一種魯棒故障估計(jì)器的設(shè)計(jì)方法。這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是其狀態(tài)空間矩陣仿射依賴于一組可實(shí)時(shí)測(cè)量的時(shí)變參數(shù),系統(tǒng)中存在未知的狀態(tài)時(shí)滯,且時(shí)滯的變化率有界。基于H∞控制理論和時(shí)滯LPV系統(tǒng)的

5、有界實(shí)引理,以線性矩陣不等式為工具,推導(dǎo)了自調(diào)度LPV故障估計(jì)器存在的充分條件,并給出了一種與被檢測(cè)對(duì)象具有相同參數(shù)依賴關(guān)系的魯棒LPV故障估計(jì)器的構(gòu)造方法,所構(gòu)造的故障估計(jì)器能夠有效、快速地跟蹤故障信號(hào),并且對(duì)狀態(tài)時(shí)滯和外界不確定擾動(dòng)具有良好的魯棒性。(3)針對(duì)一類仿射參數(shù)依賴的不確定LPV系統(tǒng),提出了一種魯棒控制器/故障估計(jì)器的聯(lián)合設(shè)計(jì)方法,即同時(shí)設(shè)計(jì)魯棒控制器和故障估計(jì)器。首先通過引入故障估計(jì)誤差,將聯(lián)合設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為H∞控制問題

6、,再引入虛擬性能塊,將魯棒控制問題轉(zhuǎn)化為魯棒穩(wěn)定性問題。然后基于定標(biāo)H∞理論,給出了LPV系統(tǒng)的定標(biāo)有界實(shí)引理,并在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出了LPV聯(lián)合“控制器/故障估計(jì)器”存在的充分條件。當(dāng)條件滿足時(shí),給出了該聯(lián)合“控制器/故障估計(jì)器”的構(gòu)造方法。所構(gòu)造的LPV聯(lián)合“控制器/故障估計(jì)器”與對(duì)象具有相同的參數(shù)依賴關(guān)系,且能夠同時(shí)給出魯棒控制信號(hào)和故障估計(jì)信號(hào)。最后針對(duì)一個(gè)具有調(diào)節(jié)器故障的不確定系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究,驗(yàn)證了方法的有效性。(4)基于增益調(diào)

7、度H∞設(shè)計(jì)策略提出了一種新的主動(dòng)容錯(cuò)控制方案。首先針對(duì)同時(shí)出現(xiàn)傳感器故障、部件故障和調(diào)節(jié)器故障的情形,建立了故障系統(tǒng)的LPV模型。然后在假設(shè)故障對(duì)系統(tǒng)矩陣的影響可以表示為仿射參數(shù)依賴的前提下,基于增益調(diào)度H∞理論設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)的魯棒LPV控制器,該控制器為故障影響因子的函數(shù),即控制器的調(diào)度變量為故障影響因子,可以利用故障檢測(cè)與分離機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的殘差來對(duì)故障影響因子進(jìn)行在線估計(jì)。為了驗(yàn)證所提出的主動(dòng)容錯(cuò)策略的有效性,針對(duì)兩級(jí)倒立擺系統(tǒng)中的