本文關(guān)鍵詞：基于自適應(yīng)控制技術(shù)的故障診斷與容錯(cuò)控制研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：為了改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性及保證系統(tǒng)在各種情況下穩(wěn)定,文獻(xiàn)提出了許多有效的故障容錯(cuò)控制方法。在系統(tǒng)故障中,執(zhí)行器故障和傳感器故障是常見(jiàn)故障。到現(xiàn)在為止,文獻(xiàn)中有許多有關(guān)執(zhí)行器故障和傳感器故障的成果,但是,這些理論研究并不完善,還有許多值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。本文結(jié)合自適應(yīng)控制技術(shù)和其它控制技術(shù),研究了包括具有/不具有時(shí)滯的線(xiàn)性/非線(xiàn)性系統(tǒng)在內(nèi)的不確定動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制。首先,提出了一種能夠同時(shí)處理增益和偏置故障的時(shí)變復(fù)合故障模型,研究了一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行器/傳感器發(fā)生該故障的非線(xiàn)性系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制。然后,利用隱函數(shù)定理,挖掘神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基函數(shù)的有關(guān)性質(zhì),研究不可建模故障的診斷與補(bǔ)償。接著,研究了不確定時(shí)滯系統(tǒng)的故障檢測(cè)問(wèn)題,設(shè)計(jì)能對(duì)未知時(shí)滯進(jìn)行估計(jì)的新型自適應(yīng)觀測(cè)器。進(jìn)而,定量分析了故障診斷所誘導(dǎo)的時(shí)滯及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。最后,在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上,研究了具有執(zhí)行器故障的網(wǎng)絡(luò)化的非線(xiàn)性系統(tǒng)的協(xié)同自適應(yīng)容錯(cuò)跟蹤控制問(wèn)題。本文主要內(nèi)容如下:第一,針對(duì)一個(gè)執(zhí)行器發(fā)生故障的情況下,研究了T-S模糊系統(tǒng)的容錯(cuò)控制問(wèn)題。首先,提出了一種集成了時(shí)變偏置和增益故障的更為一般的執(zhí)行器故障模型。然后,設(shè)計(jì)了滑模觀測(cè)器以提供用于故障檢測(cè)與分離的殘差,并提出了一種新型故障診斷算法。該算法取消了傳統(tǒng)的輸出誤差的時(shí)間導(dǎo)數(shù)必須已知的假設(shè),進(jìn)而,設(shè)計(jì)了新型故障估計(jì)觀測(cè)器,并利用所獲得故障信息提出了故障調(diào)節(jié)方案以補(bǔ)償執(zhí)行器故障。另外,基于Lyapunov穩(wěn)定理論,推導(dǎo)出滑模觀測(cè)器的存在條件。最后,近空間飛行器的仿真結(jié)果說(shuō)明了所提方法的有效性。第二,針對(duì)一個(gè)傳感器發(fā)生故障的情況下,研究了NSHV動(dòng)態(tài)的故障診斷與估計(jì)問(wèn)題。首先,利用T-S模糊系統(tǒng)被用來(lái)描述NSHV動(dòng)態(tài)。其次,提出了一種更為一般的傳感器故障模型,該模型不僅包含增益故障還包括偏置故障。接著,提出了一種新型基于滑模觀測(cè)器的自適應(yīng)故障診斷算法以檢測(cè)、分離及估計(jì)故障,取消了相關(guān)文獻(xiàn)中所需的假設(shè)——輸出誤差的一階導(dǎo)數(shù)已知、系統(tǒng)狀態(tài)在故障發(fā)生前后必須有界。最后,仿真結(jié)果顯示了所提技術(shù)的有效性。第三,針對(duì)多個(gè)執(zhí)行器發(fā)生故障的情況下,研究了由T-S模糊系統(tǒng)表示的近空間飛行器姿態(tài)動(dòng)態(tài)的容錯(cuò)控制問(wèn)題。首先,執(zhí)行器故障可表示為系統(tǒng)狀態(tài)的未知函數(shù)。設(shè)計(jì)滑模觀測(cè)器來(lái)參數(shù)殘差以便故障的檢測(cè)和分離�；贚yapunov穩(wěn)定理論,提出了新型故障診斷算法。該算法取消了已有成果中某些假設(shè)。接著,針對(duì)兩種情形:狀態(tài)可測(cè)與不可測(cè),提出了兩種調(diào)節(jié)方案以補(bǔ)償故障。該方案利用模糊邏輯系統(tǒng)(Fuzzy logic systems,FLSs)逼近未知狀態(tài)相關(guān)的執(zhí)行器故障,且不需要故障時(shí)間導(dǎo)數(shù)上界已知的條件。另外,基于Lyapunov穩(wěn)定理論,推導(dǎo)出滑模觀測(cè)器的存在條件。最后,近空間飛行器的仿真結(jié)果說(shuō)明了所提方法的有效性。第四,研究了一類(lèi)具有多個(gè)執(zhí)行器故障的不確定非線(xiàn)性系統(tǒng)的容錯(cuò)控制問(wèn)題,提出了基于觀測(cè)器的容錯(cuò)控制方案。首先設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊觀測(cè)器來(lái)提供殘差以便檢測(cè)與分離故障,再利用backstepping方法,提出了一種新型故障診斷算法。該算法不需要輸出誤差的導(dǎo)數(shù)已知的假設(shè)。進(jìn)而,提出了故障調(diào)節(jié)方案。該方案不需要知道故障時(shí)間導(dǎo)數(shù)的上界。所提容錯(cuò)控制器保證閉環(huán)系統(tǒng)中所有信號(hào)是半全局一致終結(jié)有界,且收斂到原點(diǎn)的一個(gè)小鄰域內(nèi)。最后,利用一個(gè)數(shù)值算例來(lái)說(shuō)明所提容錯(cuò)控制方法的有效性。第五,研究了一類(lèi)具有執(zhí)行器故障的高次非線(xiàn)性系統(tǒng)的自適應(yīng)主動(dòng)容錯(cuò)問(wèn)題。假設(shè)執(zhí)行器故障不具有傳統(tǒng)的關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)、控制輸入的仿射形式。在分析傳統(tǒng)的被動(dòng)、主動(dòng)容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,利用所挖掘的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基函數(shù)有關(guān)特性和隱含數(shù)定理,提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)容錯(cuò)控制框架。與文獻(xiàn)中現(xiàn)有成果相比,該容錯(cuò)控制框架能使故障出現(xiàn)與故障調(diào)節(jié)之間的時(shí)間間隔(稱(chēng)之為故障診斷所誘導(dǎo)的時(shí)滯)最小,進(jìn)而減少該時(shí)滯對(duì)系統(tǒng)性能的負(fù)面影響。而且,該控制方案不需要額外的故障檢測(cè)、分離模塊。最后,仿真結(jié)果說(shuō)明了所提容錯(cuò)控制方法的有效性。第六,研究了一類(lèi)非線(xiàn)性時(shí)滯系統(tǒng)的故障檢測(cè)問(wèn)題。假設(shè)所考慮的時(shí)滯為未知常數(shù)。為了克服已有結(jié)果中的缺點(diǎn)——故障診斷觀測(cè)器中含有未知時(shí)滯,提出了一種新型自適應(yīng)模糊觀測(cè)器。該觀測(cè)器能夠在線(xiàn)估計(jì)未知時(shí)滯常數(shù),保證觀測(cè)誤差是有界的且顯示了該觀測(cè)器的收斂性。另外,推導(dǎo)了該觀測(cè)器存在的充分條件。最后,仿真結(jié)果說(shuō)明了所提算法的有效性。第七,眾所周知,在故障出現(xiàn)與最終故障調(diào)節(jié)之間總存在一定時(shí)滯。本文稱(chēng)之為故障診斷所誘導(dǎo)的時(shí)滯。該時(shí)滯將導(dǎo)致系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性的嚴(yán)重?fù)p失。本文研究了該時(shí)滯對(duì)系統(tǒng)性能的負(fù)面影響。首先,設(shè)計(jì)故障診斷模塊來(lái)診斷傳感器故障。該故障不僅包含時(shí)變偏置故障還含有時(shí)變?cè)鲆婀收�。同時(shí),計(jì)算出故障診斷的每一步所花費(fèi)的時(shí)間,并嚴(yán)格推導(dǎo)出其解析表達(dá)式。進(jìn)而,分析故障診斷所誘導(dǎo)的時(shí)滯對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在此基礎(chǔ)上,給出了故障必須滿(mǎn)足的條件使得即使在標(biāo)稱(chēng)控制器控制下故障系統(tǒng)在該時(shí)滯內(nèi)仍是有界甚至是穩(wěn)定的,即故障的幅度必須滿(mǎn)足一定條件。另外,提出了相應(yīng)地解決方案以減少該時(shí)滯的負(fù)面影響。最后,近空間飛行器的仿真結(jié)果說(shuō)明了所提方法的有效性。最后,針對(duì)具有執(zhí)行器故障的網(wǎng)絡(luò)化的不確定非線(xiàn)性系統(tǒng),研究了其協(xié)同自適應(yīng)容錯(cuò)跟蹤控制問(wèn)題,提出了新型協(xié)同容錯(cuò)控制方案,保證所有跟隨者節(jié)點(diǎn)能漸近同步于領(lǐng)航者節(jié)點(diǎn),且同步誤差收斂到原點(diǎn)的一個(gè)小鄰域內(nèi)。假設(shè)通訊網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)式固定的。通過(guò)對(duì)最優(yōu)逼近誤差和外來(lái)干擾進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償,取消了已有成果所需的假設(shè)——最優(yōu)逼近誤差和外來(lái)干擾的上界必須已知。另外,基于幾何圖論和Lyapunov穩(wěn)定理論給出了所提算法的穩(wěn)定性和參數(shù)收斂的分析。該容錯(cuò)控制方案不需要額外的故障分離模塊。最后,仿真結(jié)果證實(shí)了該理論結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】：故障檢測(cè) 故障估計(jì) 故障調(diào)節(jié) 容錯(cuò)控制 自適應(yīng)控制
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TP277;TP302.8
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 注釋表14-15
• 第一章 緒論15-23
• 1.1 研究背景及意義15-16
• 1.2 容錯(cuò)控制方法16-18
• 1.2.1 被動(dòng)容錯(cuò)控制方法16
• 1.2.2 主動(dòng)容錯(cuò)控制方法16-18
• 1.3 本課題的研究現(xiàn)狀18-21
• 1.3.1 執(zhí)行器/傳感器故障的故障診斷與容錯(cuò)控制18-19
• 1.3.2 非線(xiàn)性時(shí)滯系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制19-20
• 1.3.3 FDI誘導(dǎo)的時(shí)滯及其對(duì)被控系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響20-21
• 1.3.4 近空間飛行器的容錯(cuò)控制21
• 1.4 本文的內(nèi)容及安排21-23
• 第二章 具有執(zhí)行器故障的T-S模糊系統(tǒng)的容錯(cuò)控制及其在近空間飛行器的應(yīng)用23-38
• 2.0 引言23-24
• 2.1 T-S模糊模型及問(wèn)題描述24-25
• 2.2. 故障診斷與故障調(diào)節(jié)25-35
• 2.2.1 故障檢測(cè)26-28
• 2.2.2 故障分離28-31
• 2.2.3 故障估計(jì)31-33
• 2.2.4 故障調(diào)節(jié)33-35
• 2.3 仿真結(jié)果35-37
• 2.3.1 近空間飛行器的建模與分析35-36
• 2.3.2 仿真結(jié)果36-37
• 2.5 本章小結(jié)37-38
• 第三章 具有傳感器故障的近空間高超飛行器的故障診斷與估計(jì)38-48
• 3.1 引言38
• 3.2 NSHV建模與分析38-40
• 3.3 模糊自適應(yīng)故障診斷觀測(cè)器設(shè)計(jì)40-42
• 3.4 故障估計(jì)42-46
• 3.5 仿真結(jié)果46-47
• 3.6 本章小結(jié)47-48
• 第四章 具有多執(zhí)行器故障的NSV姿態(tài)動(dòng)態(tài)的的模糊容錯(cuò)控制48-66
• 4.1 引言48
• 4.2 NSV動(dòng)態(tài)的T-S模糊模型及FLS的數(shù)學(xué)描述48-52
• 4.2.1 NSV動(dòng)態(tài)的T-S模糊模型48-50
• 4.2.2 FLSs的描述50-52
• 4.3 故障診斷和基于FLSs的容錯(cuò)調(diào)節(jié)52-64
• 4.3.1 故障檢測(cè)52-53
• 4.3.2 故障分離53-57
• 4.3.3 基于FLSs的故障調(diào)節(jié)——系統(tǒng)狀態(tài)可測(cè)情形57-62
• 4.3.4 故障調(diào)節(jié)——系統(tǒng)狀態(tài)不可測(cè)情形62-64
• 4.4 仿真結(jié)果64-65
• 4.5 本章小結(jié)65-66
• 第五章 高次非線(xiàn)性系統(tǒng)的自適應(yīng)backstepping容錯(cuò)控制66-84
• 5.1 引言66
• 5.2 問(wèn)題描述與預(yù)備知識(shí)66-69
• 5.2.1 問(wèn)題描述66-67
• 5.2.2 Nussbaum-type增益67-68
• 5.2.3 模糊邏輯系統(tǒng)的描述68-69
• 5.3 容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)69-81
• 5.3.1 故障檢測(cè)69-76
• 5.3.2 故障分離與估計(jì)76-80
• 5.3.3 故障調(diào)節(jié)80-81
• 5.4 飛行器縱向運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)應(yīng)用81-83
• 5.5 本章小結(jié)83-84
• 第六章 未建模故障的自適應(yīng)主動(dòng)容錯(cuò)控制84-96
• 6.1 引言84
• 6.2 問(wèn)題描述與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介84-86
• 6.2.1 問(wèn)題描述84-85
• 6.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介85-86
• 6.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)86-94
• 6.3.1 正�？刂破鞯脑O(shè)計(jì)（無(wú)故障）86-87
• 6.3.2 被動(dòng)容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)87-93
• 6.3.3 自適應(yīng)主動(dòng)容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)93-94
• 6.4 仿真結(jié)果94-95
• 6.5 本章小結(jié)95-96
• 第七章 一類(lèi)非線(xiàn)性時(shí)滯系統(tǒng)的故障檢測(cè)96-105
• 7.1 引言96
• 7.2 問(wèn)題描述96-97
• 7.3 故障檢測(cè)觀測(cè)器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析97-103
• 7.4 仿真結(jié)果103-104
• 7.5 本章小結(jié)104-105
• 第八張 故障診斷所誘導(dǎo)的時(shí)滯及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響105-119
• 8.1 引言105
• 8.2 問(wèn)題描述105-107
• 8.3 故障診斷107-111
• 8.3.1 故障檢測(cè)107-108
• 8.3.2 故障分離108-109
• 8.3.3 故障估計(jì)109-111
• 8.4 性能分析111-117
• 8.5 仿真結(jié)果117-118
• 8.6 本章小結(jié)118-119
• 第九章 多智能體系統(tǒng)的協(xié)同自適應(yīng)容錯(cuò)跟蹤控制119-131
• 9.1 引言119
• 9.2 預(yù)備知識(shí)119-122
• 9.2.1 圖論理論與符號(hào)120
• 9.2.2 問(wèn)題描述120-122
• 9.3 主要結(jié)果122-130
• 9.3.1 標(biāo)稱(chēng)控制器的設(shè)計(jì)與故障檢測(cè)122-127
• 9.3.2 自適應(yīng)容錯(cuò)協(xié)同控制127-130
• 9.4 仿真結(jié)果130
• 9.5 本章小結(jié)130-131
• 第十章 總結(jié)與展望131-133
• 10.1 論文總結(jié)131
• 10.2 研究展望131-133
• 參考文獻(xiàn)133-145
• 致謝145-146
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加科研情況146-147

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5 王峰;汪t

本文編號(hào)：357450