多故障并发非线性系统一体化跟踪主动容错控制器设计

针对一类执行器及传感器同时发生故障的非线性系统,综合鲁棒滑模重构观测器及自适应滑模容错控制器设计技术,提出一体化跟踪主动容错控制方案.首先,将系统增维变换为广义系统,运用广义约束逆引入辅助矩阵,采用线性矩阵不等式设计观测器系数矩阵,综合自适应律给出广义鲁棒滑模观测器设计程式;在此基础之上,通过设计鲁棒滑模微分器估计输出向量微分,结合广义鲁棒滑模观测器状态估计结论,实现执行器及传感器故障同时重构.其次,基于故障重构及状态估计结论,提出自适应滑模的跟踪主动容错控制律设计程式.最后,通过开展飞行模拟转台伺服系统数值仿真,检验一体化跟踪主动容错控制器设计方法的有效性.     

一类非线性系统的故障重构与容错控制

针对一类满足Lipschitz条件的仿射非线性系统,提出一种执行器故障重构与容错控制方法。通过非奇异变化矩阵对系统进行降阶,设计出滑模故障重构观测器,优化滑模策略,使滑模故障重构观测器渐进估计系统的状态,并给出稳定性分析。运用等价输出控制方法直接获取故障信息,实现执行器故障的检测与重构。设计出主动容错控制器,通过补偿控制,完成执行器故障的容错控制。最后通过数值仿真验证了方法的可行性与有效性。     

基于高增益鲁棒滑模观测器的故障检测和隔离

针对一类同时具有执行器和传感器故障的不确定线性系统,讨论了基于观测器的故障检测和隔离方法.首先,通过引入增维向量,使得在构造的增维系统中,故障向量包含了原系统的执行器故障和传感器故障.通过构造辅助输出使增维系统的观测器匹配条件得以满足,同时设计高增益滑模观测器对辅助输出进行估计.然后,对增维系统构造鲁棒滑模观测器并用作故障检测观测器,通过滑模控制项来抑制干扰,使观测器具有鲁棒性.在此基础上,结合多观测器故障隔离思想,提出了可以同时对执行器故障和传感器故障进行检测和隔离的方法. 最后,通过对一个五阶飞行器模型进行仿真,证明了所提方法的有效性.     

基于鲁棒滑模观测器的多电机卷绕系统故障检测和隔离

针对多电机卷绕系统故障检测和隔离问题,提出了基于滑模观测器的鲁棒故障检测和隔离策略.首先,考虑到多电机卷绕系统运行环境变化引起的摩擦系数、杨式模量、半径和转动惯量等参数的不确定性,通过引入非线性未知输入干扰对系统不确定参数进行描述,将多电机卷绕系统转化为包含执行器故障的一般不确定非线性系统;其次,构造鲁棒滑模观测器并用作故障检测观测器,通过滑模控制来抑制未知输入干扰,使观测器具有鲁棒性,在此基础上,结合多观测器故障隔离的思想,提出了可以同时对多个执行器故障进行检测和隔离的方法;然后,根据李雅普诺夫理论得到使观测器系统指数收敛的充分条件,同时给出了观测器增益的求解方法;最后,仿真结果验证了所提方法的鲁棒性和有效性.     

基于LMI的一体化鲁棒主动容错控制器设计

针对一类发生执行器故障的非线性系统,提出基于线性矩阵不等式(LMI)的一体化鲁棒主动容错控制器设计方法.首先,设计含自适应律的鲁棒滑模观测器,并将观测器设计方法转化为LMI约束下的凸优化问题,进而实现执行器故障的鲁棒重构;然后,提出基于状态及故障估计的一体化主动容错控制器,同时通过LMI给出控制器增益解算方法;最后,通过数值算例验证容错控制器设计方法的有效性.     

基于鲁棒自适应滑模观测器的多故障重构

针对一类不确定非线性系统, 基于滑模观测器研究执行器和传感器同时故障时的鲁棒重构问题. 引入线性变换矩阵并添加后置滤波器构建增维系统, 综合??_∞ 控制将鲁棒滑模观测器增益矩阵设计方法, 转化为LMI 约束下的多目标凸优化问题. 在滑模增益中添加了自适应律, 确保状态估计误差渐近稳定, 同时滑模运动经有限时间到达滑模面, 在此基础上给出执行器和传感器故障同时重构算法. 最后通过数值算例表明了所提出方法的有效性.

     

基于自适应滑模观测器的不匹配非线性系统执行器故障重构

针对一类含有未知干扰的不匹配非线性Lipschitz系统,提出了基于自适应滑模观测器的执行器故障重构方法.首先引入辅助输出矩阵,使得辅助输出系统的观测器匹配条件得以满足,同时设计了高增益观测器实现对未知辅助输出的精确估计;然后针对辅助输出系统建立故障重构滑模观测器,设计了自适应律在线修正滑模控制器增益,考虑故障上界未知的前提下,提出了观测器状态估计误差稳定的存在定理,运用Schur补引理将观测器反馈增益矩阵设计方法转化为求解线性矩阵不等式约束优化问题,同时引入线性变换矩阵,在故障上界未知的前提下设计了滑模控制增益,使得输出估计误差收敛稳定,确保了滑模运动在有限时间内发生,在此基础上利用等效控制输出误差注入原理实现了执行器故障重构;最后通过仿真算例验证了本文方法的有效性.     

基于滑模观测器和广义观测器的故障估计方法

针对受未知干扰影响的一类非线性系统,提出一种基于滑模观测器和广义观测器的执行器故障和传感器故障估计方法.首先通过线性变换将原系统解耦为两个降阶的子系统,其中一个子系统受执行器故障和干扰的影响,另一个含有传感器故障和干扰,进一步将后一个子系统转化为广义系统.对两类子系统分别设计滑模观测器和广义观测器,给出估计误差一致最终有界的条件,得到系统状态和未知干扰的估计值.然后,利用等效输出控制原理重构执行器故障,引入干扰补偿保证重构算法的鲁棒性,再根据广义观测器的结果获得传感器故障的估计值.最后,通过计算机仿真验证了本文方法的有效性.     

基于滑模观测器的机器人系统传感器故障诊断

本文基于变结构滑模状态观测器，提出了一种在模型含有不确定性误差的情况下，机器人控制系统传感器故障的鲁棒诊断方法．通过滑模观测器与传感器的输出构造残差信号，然后从残差中提取故障信息，实现故障的检测与分离．实验结果验证了该方法的有效性．     

基于扰动估计的飞行控制系统传感器故障重构

针对飞行控制系统的传感器故障重构问题,讨论了基于扰动估计的传感器故障检测与重构方法。首先,通过建立观测器,对已有系统的干扰进行估计;其次,通过干扰的估计值来建立系统的鲁棒观测器;最后,再通过对系统建立多个降维鲁棒观测器来隔离并重构传感器故障。采用某飞机横侧向模型进行仿真验证,仿真表明基于扰动估计的鲁棒观测器能够有效地对传感器故障进行隔离与重构。     

基于故障诊断观测器的输出反馈容错控制设计

针对自适应故障诊断观测器需要误差系统满足苛刻的严格正实条件(Strictly positive real, SPR)和难于处理输出存在扰动的不确定性系统等问题, 提出了一种新型的增广故障诊断观测器的设计方法, 不仅显著地拓宽了自适应故障诊断观测器的适用范围, 而且其具有处理系统扰动的良好性能. 在故障估计的基础上, 提出了动态输出反馈容错控制的设计方法, 避免了基于观测器的状态反馈容错控制的设计难点. 同时, 故障诊断观测器和输出反馈容错控制是分开设计的, 并且又考虑了各自的性能, 简化了设计过程. 最后, 通过仿真实验验证了所提方法的有效性.     

基于等分采样的网络控制系统鲁棒故障检测

考虑一类具有未知干扰的时延网络控制系统,对其进行故障检测。通过提高控制器端的采样频率,等分传感器采样周期,将网络时延近似看成控制器端采样周期的整数倍。建立基于离散切换系统的鲁棒H∞故障观测器,将观测器稳定条件归结为一个线性矩阵不等式。通过求解具有线性矩阵不等式约束的最小化问题,对故障检测阈值进行选取,从而增强检测的鲁棒性和灵敏度。仿真示例验证了该方法的有效性。     

非均匀采样数据系统时变故障估计与调节最优集成设计

针对一类发生连续时变故障的非均匀采样数据系统,建立了一套主动容错控制最优设计方案. 首先,为了实现基于非均匀离散采样输出对连续故障的估计,同时鉴于现有自适应故障诊断方法无法直接推广于非均匀采样数据系统,提出一种连续时间增广观测器最优设计方法,既能保证故障估计误差快速收敛同时又对外界干扰鲁棒;并且提出一个迭代算法对故障估计延迟与系统鲁棒性进行权衡;进一步地,基于所获得的故障信息,并考虑估计误差和时变故障内采样特性对容错控制带来的不利因素,设计基于状态反馈的非均匀采样容错控制器来快速恢复故障系统性能;最后,通过对四容水箱基准实例的仿真来验证所提方法的有效性.     

多智能体系统的鲁棒故障估计观测器的设计

针对线性变参数多智能体系统设计了有限频域鲁棒故障估计观测器。首先,根据每个智能体的绝对可测输出和相对可测输出建立了每个节点的动力学方程,结合无向通讯拓扑图及拉普拉斯矩阵得到了多智能体系统的动力学方程,通过合适的变换对多智能体系统模型进行了解耦;然后,根据解耦后的系统动力学方程设计了故障估计观测器,并通过优化技术得到了故障估计观测器增益矩阵和优良的鲁棒性能指标;最后,通过微型飞行器纵向飞行运动的例子验证了所设计的故障估计观测器的有效性,及系统参数在一定的范围内发生变动的时候,故障估计观测器依然可以准确的估计系统所发生的故障。     

A sliding mode observer for monitoring and fault estimation in a network of dynamical systems

In this paper, a novel fault estimation strategy is proposed for a network of dynamical systems at a supervisory monitoring level. The network nodes include linear and Lipschitz nonlinear dynamics and time‐varying coupling strength. The aim is to enhance the autonomy level of this class of systems by means of this inherently robust, nonlinear strategy based on sliding mode ideas. The faults are reconstructed from the equivalent output error injection signal which is used to maintain sliding. A key facet of the strategy is that the synthesis of the sliding mode observer for the network depends solely on the dynamics of an individual node of the network. The theoretical results developed in the paper are demonstrated with an example consisting of a network of pendulums. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于等分采样周期的网络控制系统故障检测

考虑一类时延网络控制系统,假定其存在输出时延,对其进行故障检测。通过提高控制器端的采样频率,将传感器采样周期等分,这样可以将网络时延近似看成控制器端采样周期的整数倍。在此基础上,建立了基于离散异步动态系统的故障观测器误差方程,并将观测器稳定条件归结为一个线性矩阵不等式。当系统正常时,只要给定的不等式条件成立,该观测器系统就是稳定的。当系统发生故障时,观测器残差能够迅速发生跳变,从而检测出故障的发生。最后通过仿真实例验证了方法的有效性。     

A Robust Fault Detection Approach for Nonlinear Systems

In this paper, we study the robust fault detection problem of nonlinear systems. Based on the Lyapunov method, a robust fault detection approach for a general class of nonlinear systems is proposed. A nonlinear observer is first provided, and a sufficient condition is given to make the observer locally stable. Then, a practical algorithm is presented to facilitate the realization of the proposed observer for robust fault detection. Finally, a numerical example is provided to show the effectiveness of the proposed approach.     

基于自适应未知输入观测器的非线性动态系统故障诊断

针对以往故障诊断研究中要求故障或故障导数及系统干扰的上界是已知的不足,以及难以同时诊断执行器故障和传感器故障的问题,提出一种自适应未知输入故障诊断观测器,能够同时重构非线性动态系统的执行器故障和传感器故障.首先,利用H_∞性能指标抑制未知输入对故障重构的影响,采用Lyapunov泛函得到观测误差动态系统的稳定性;然后,通过线性矩阵不等式求解观测器增益阵,并实现故障重构;最后,通过直流电机系统的仿真验证了所提出方法的有效性.     

Fault detection and isolation design for uncertain nonlinear systems based on full-order,reduced-order and high-order high-gain sliding-mode observers

This paper considers the observer-based fault detection and isolation design problems when the observer matching condition is not satisfied. Based on the relative degree concept, an auxiliary output vector that may satisfy the observer matching condition is constructed. Since the auxiliary output vector contains unknown information, we use a high-order high-gain sliding-mode observer to exactly estimate not only the auxiliary outputs, but also their derivatives in a finite time. Then, an adaptive robust full-order observer is developed to serve as an actuator fault detection observer. For the actuator fault reconstruction purpose, a reduced-order observer is proposed to estimate the system states even if there are some actuator faults and an actuator fault reconstruction method is provided to reach the fault isolation purpose. A numerical simulation example is used to illustrate the effectiveness of the proposed methods.