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.     

基于迭代学习观测器的航天器姿态主动容错控制

针对含有外部扰动和执行器故障的一类航天器姿态控制系统,本文提出基于迭代学习观测器的主动容错控制方案.首先,建立了含有外部扰动和执行器故障的航天器姿态控制系统的运动学和动力学模型.其次,为了提高观测器的故障估计精度,在传统迭代学习观测器设计基础上引入上一时刻状态估计误差信息,文章提出一种改进型学习估计算法.进一步,基于滑模控制和指定时间稳定理论,利用学习观测器的故障估计信息设计指定时间主动容错控制器.与现有的航天器主动容错控制方案相比,本文所提出的算法的优势在于可以使故障系统的姿态能在指定时间跟踪上指令信号.基于Lyapunov方法,本文从理论上证明了改进型学习观测器和姿态容错控制系统的稳定性.最后,通过数值仿真,说明了所提容错控制方案的有效性和可行性.     

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.     

非线性系统的主动容错控制

对一般的非线性系统提出了一种新的主动容错控制方法.系统正常工作时,采用基于迭代学习观测器的输出反馈控制策略,控制器为迭代学习观测器的状态和调节参数的函数,此输出反馈控制器能良好地镇定该非线性系统.当系统发生故障后,进行控制器重组,在调节参数的自适应调节律中引入了故障估计的信息,使得系统发生故障后包含故障估计信息的重组控制器仍然能使系统稳定,实现了非线性系统的主动容错控制.计算机模拟显示所提出算法的有效性.     

基于滑模控制的卫星姿态控制算法研究

针对卫星姿态控制系统存在外部扰动和执行器故障的情况下,提出一种基于非线性观测器技术和滑模控制理论的容错控制器设计方案。首先,建立含有外部扰动和执行器故障的刚体卫星姿态控制系统运动学方程和动力学方程。然后,通过非线性干扰观测器估计系统中的未知故障,进而利用故障信息基于滑模控制策略设计容错控制器。通过Lyapunov函数证明闭环姿态控制系统的稳定性。最后通过数值仿真验证该容错控制方案的鲁棒性和可行性。     

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。     

一类线性不确定系统的主动容错H∞控制

研究了一类线性不确定系统的主动容错控制问题。采用广义内模结构的主动容错控制系统,针对可能发生的故障模式,建立了反映故障动态行为的参考模型,应用基于观测器的故障估计器在线估计故障,并将故障估计信息用于故障补偿,将主动容错控制归结为两目标H∞优化问题,推导并证明了问题可解的充分条件,得到了H∞控制器与故障估计器集成设计的迭代线性矩阵不等式方法。仿真算例验证了算法的有效性。     

风能转换系统执行器故障重构与容错控制

针对风能转换系统中执行器故障,论文提出了一种新型的主动容错控制策略.设计滑模故障观测器,实时动态采集执行器故障前后数据信息,对执行器故障进行重构,达到故障诊断的目的.通过补偿控制,保证了滑模控制器对风能转换系统的可靠控制输入,以达到对执行器故障主动容错的功能.仿真结果表明,滑模故障观测器模块能够实时精确地重构风能转换系统执行器故障,主动补偿容错控制器在不影响风能转换系统动态性能的情况下,仍能实现系统的最大风能的捕获.     

非线性切换系统基于观测器的容错控制器设计

针对一类具有执行器故障的非线性切换系统,研究基于系统状态估计和故障重构的容错控制问题.首先,在具有平均驻留时间(ADT)的切换信号下,设计一种切换PI观测器作为状态-故障估计器,以达到对系统状态和故障同时渐近估计的目的;其次,基于线性矩阵不等式,给出非线性切换系统观测器存在的充分条件;再次,基于PI观测器给出的状态和故障估计,提出一种非线性切换系统的容错控制器设计方法;最后,以一个电子电路为仿真实例进行分析,验证了所提出方法的可行性和适用性.     

马尔可夫跳变系统基于观测器的有限时间容错控制

针对具有一般不确定转移速率的单边Lipschitz Markovian跳变系统,设计了有限时间故障估计观测器和容错控制器.首先,提出一种自适应的有限时间故障估计观测器,它对未知输入具有鲁棒性,能够同时估计出系统的状态、执行器故障和传感器故障,并确保了误差系统的H_∞有限时间有界.然后,基于所估计的状态和执行器故障,提出一种有限时间故障容错控制方法确保闭环系统H_∞有限时间有界.通过线性矩阵不等式的形式,给出了所设计的有限时间观测器和控制器存在的充分条件.最后,通过一个仿真实例,验证了所提方法的有效性.     

Fault tolerant sliding mode control for T-S fuzzy stochastic time-delay system via a novel sliding mode observer approach

In this paper, a fault estimation and fault-tolerant control problem for a class of T-S fuzzy stochastic time-delay systems with actuator and sensor faults is investigated. A novel sliding mode observer is proposed, which can simultaneously estimate the system states, actuator and sensor faults with good accuracy. Based on the state and actuator fault estimation, a new sliding mode control scheme is developed, which can effectively eliminate the influence of actuator fault. Sufficient conditions for the existence of the proposed observer and fault-tolerant sliding mode controller are provided in terms of linear matrix inequality, and moreover, the reachability of the sliding mode surface can be guaranteed under the proposed control scheme. The propose sliding mode observer and fault-tolerant sliding mode controller can overcome the restrictive assumption that the input matrix of all local modes is the same. Finally, a numerical example is provided to verify the effectiveness of the proposed sliding mode observer and fault-tolerant sliding mode control technique.     

Fault estimation and active fault-tolerant control for a class of nonlinear systems with actuator and sensor faults based on unknown input iterative learning

In this paper, fault estimation and active fault-tolerant control are studied for a class of nonlinear systems with simultaneous actuator and sensor faults, as well as unknown external disturbances. Firstly, the state equation of a class of nonlinear systems is transformed into an augmented system state equation by extending the sensor fault as an auxiliary state. Then, a novel fault estimation observer based on iterative learning with unknown inputs is designed to estimate the system state, as well as actuator and sensor faults. Subsequently, by using the fault estimation information, a dynamic output feedback active fault-tolerant control scheme is proposed to compensate for the influence of faults on the system. Lyapunov stability theory is used to prove the stability of the closed-loop system and the convergence of the fault estimation observer. The gain matrices of the fault estimation observer and fault-tolerant controller are obtained by solving linear matrix inequalities. Furthermore, the paper avoids the use of the $$ norm in the convergence proof of the conventional iterative learning algorithm, which reduces the amount of calculation in the derivation process. Finally, the effectiveness and accuracy of the proposed method are verified through simulation of the DC motor angular velocity system.     

Fault-tolerant control for a class of nonlinear sampled-data systems via a Euler approximate observer

In this paper, a fault-tolerant control (FTC) scheme is developed for a class of nonlinear sampled-data systems. First, a Euler approximate discrete model is used to describe the plant under the sampling. Under this model, an observer-based fault estimation method is proposed. To guarantee the accuracy of both the state and fault estimation values, the conditions to make the approximate model consistent with the exact model are presented. Then, an active fault-tolerant controller, which has a constraint condition for the sampling time, is designed to make the faulty system stable. Finally, an inverted pendulum is used to show the efficiency of the proposed method.     

含控制时滞系统的实时故障诊断和最优容错控制

研究含有控制时滞的线性系统的故障诊断方法和最优容错控制问题.给出了最优容错控制律的存在唯一性条件,提出了最优容错控制律的设计算法.通过构造增广的降维状态观测器,设计了在线诊断故障的故障诊断器并同时实现了系统状态的观测,解决了最优容错控制的物理不可实现问题.利用观测器的输出得到物理可实现的动态最优容错控制律.仿真实例验证了故障诊断方法和动态最优容错控制律的有效性.     

考虑传感器故障的导弹姿态控制系统主动容错控制研究

针对导弹姿态控制系统惯性传感器故障,提出了基于信号重构的主动容错控制方法.分别利用基于梯形算法的数值积分器和有限时间收敛微分器对姿态角信号和角速率信号进行重构,当在线诊断出姿态角或角速率传感器故障时,以重构信号代替故障信号进行反馈控制来实现系统的主动容错控制.在建立导弹姿态控制系统模型并采用次最优控制方法设计输出反馈控制器的基础上,对所设计的主动容错控制方法进行仿真,仿真结果表明该方法是有效的.     

双时滞系统的故障诊断和动态最优容错控制

对含有状态时滞和控制时滞的线性时滞系统, 研究系统发生不可直接测量的传感器故障和执行故障时的故障诊断和最优容错控制问题. 首先基于时滞系统的线性变换, 利用Riccati矩阵方程和Sylvester方程设计了故障情况下的最优容错控制律, 并证明了最优容错控制律的存在唯一性. 然后通过构造一种新的含有故障的增广系统的降维状态观测器, 实现了故障的实时在线诊断和系统状态的观测, 解决了最优容错控制的物理不可实现问题. 最后利用故障诊断的结果给出了物理可实现的动态最优容错控制律. 仿真实例验证了故障诊断方法和动态最优容错控制方法的可行性和有效性.     

Observer‐Based Adaptive Output Feedback Fault Tolerant Control for Nonlinear Hydro‐Turbine Governing System with State Delay

This paper focuses on the problem of adaptive output feedback fault tolerant control for a nonlinear hydro‐turbine governing system. A dynamic mathematical model of the system is established, which aims to investigate the dynamic performance of the model under servomotor delay and actuator faults. Then, a fault estimation adaptive observer is proposed to achieve online real‐time diagnosis of system faults. Based on the online fault estimation information, an observer‐based adaptive output feedback fault tolerant controller is designed. Furthermore, under reasonable assumptions, the results demonstrate that the closed‐loop control system can achieve global asymptotic stability by Lyapunov function. Finally, the numerical simulation results are presented to indicate the satisfaction control effectiveness of the proposed scheme.