幾類(lèi)非線(xiàn)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(guò)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(lái)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(xiàn)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(mǎn)足。因此，不確定非線(xiàn)性系統(tǒng)的魯棒故障診斷和容錯(cuò)控制技術(shù)越來(lái)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(guó)際學(xué)術(shù)界所關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。本文針對(duì)幾類(lèi)不確定非線(xiàn)性系統(tǒng)，基于觀測(cè)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(wèn)題。主要研究工作如下： 針對(duì)兩類(lèi)不確定非線(xiàn)性系統(tǒng)，分別研究了基于滑模/自適應(yīng)觀測(cè)器估計(jì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的魯棒故障診斷問(wèn)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(guò)微分同胚變換，基于滑模/自適應(yīng)觀測(cè)器參數(shù)辨識(shí)方法分別獲得了針對(duì)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(duì)系統(tǒng)輸出求導(dǎo)和要求滿(mǎn)秩的條件。進(jìn)一步在系統(tǒng)狀態(tài)完全可測(cè)和不完全可測(cè)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(xiàn)性故障檢測(cè)和診斷問(wèn)題，給出了一種新的對(duì)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(cè)和診斷方法。在狀態(tài)完全可測(cè)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(cè)時(shí)，利用觀測(cè)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(cè)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(duì)一類(lèi)既存在結(jié)構(gòu)失配也包含參

4、數(shù)失配的不確定非線(xiàn)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(cè)和診斷算法。當(dāng)檢測(cè)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(guò)補(bǔ)償故障所帶來(lái)的影響使閉環(huán)系統(tǒng)一致有界穩(wěn)定。針對(duì)無(wú)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(duì)兩類(lèi)不確定非線(xiàn)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(wèn)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(duì)一類(lèi)仿射不確定非線(xiàn)性系統(tǒng)，為了達(dá)到較高的跟蹤性能，提出了在線(xiàn)重構(gòu)自適應(yīng)容錯(cuò)控制器的方法。對(duì)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(duì)一類(lèi)狀態(tài)完全可觀不確定非線(xiàn)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(cè)和診斷系統(tǒng)；當(dāng)故障檢測(cè)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(duì)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(xiàn)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(duì)具有非線(xiàn)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(cè)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(duì)系統(tǒng)提出了一種針對(duì)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(duì)突變故障的基于LMI技術(shù)的魯棒容錯(cuò)控制