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.     

基于自适应阈值与扩张状态滑模观测器的AUV执行机构故障检测与估计

作为自主式水下机器人(AUV)的重要组成部分,执行机构的可靠性对系统的安全运行具有重要意义.本文以AUV六自由度模型为基础,提出了一种基于自适应阈值与扩张状态滑模观测器相结合的故障检测与估计机制.首先,本文将模型中除去控制输入的部分扩张成新的系统状态,得到估计值和实际值之间的残差;其次,针对执行机构的未知扰动,文章设计了一种改进的自适应阈值以监测残差的变化,进一步降低了误诊率与漏诊率;随后,文章在扩张状态的结构基础上设计滑模观测器,将观测器的增益求解转化为线性矩阵不等式(LMI)约束优化问题;最后,通过动态滑模面的设计实现了抖振的抑制并论证了该动态滑模面的收敛性,同时引入等效控制输出误差注入原理,实现了AUV执行机构的故障重构.仿真结果表明,本文所提方法对AUV执行机构的故障具有较好的检测灵敏度和估计精度.     

不确定动态系统的执行器故障检测与重构

讨论不确定动态系统的执行器故障检测与重构问题.以滑模观测器为基础,利用状态和输出变换方法与奇异值分解方法相结合对系统进行降阶,提出一种鲁棒故障重构观测器.给出了优化滑模策略,并作了严格论证,保证对系统不确定性具有鲁棒性和跟踪系统状态的收敛性.应用等价输出控制的概念和设计的鲁棒故障重构观测器,获取故障信息并实现执行器故障的检测与重构.最后通过数值仿真验证了该方法的有效性和可靠性.     

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.     

基于自适应滑模观测器的航空电连接器间歇性失效检测

针对航空电连接器系统建立数学模型,提出基于自适应滑模观测器的故障重构方法实现间歇性失效检测.针对乘性故障上界未知的情况,设计自适应律在线修正滑模观测器增益.采用Lyapunov函数作为稳定观测器的判别条件,保证跟踪状态的收敛性.引入线性变换矩阵进一步求取实现滑模运动的滑模观测器增益常数项,并验证滑模运动将在有限时间内发生.应用等价输出误差介入原理获取故障信息,实现乘性故障的检测和重构.对重构出的特征参数进行分析可以判断电连接器是否发生失效.用SIMULINK进行仿真,结果验证该方法有效.     

未知输入和可测噪声重构之线性矩阵不等式非线性系统观测器设计

针对一类同时具有未知输入和输出可测噪声的Lipschitz非线性系统,讨论了状态估计、未知输入与可测噪声重构的问题.首先,基于广义系统和线性矩阵不等式的方法设计滑模未知输入观测器,不仅对原系统状态进行渐近估计,而且实现了对系统输出可测噪声的重构;其次,考虑一种鲁棒滑模微分器,实现了广义系统输出向量微分的精确估计,并在此基础上,提出了一种未知信息重构方法,该方法具有避免直接使用系统输出微分信息的优点.最后,对火车牵引拖动系统模型仿真,结果表明该方法不但能够实现对系统状态的估计,而且可以有效重构未知信息.     

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.     

一种基于时变干扰观测器的高超声速飞行器容错控制策略设计

为了提高高超声速再入飞行器(HRV)在执行机构故障情况下的姿态控制效果,提出一种基于时变干扰观测器和参考轨迹重构器(RVG)的滑模容错控制策略.首先,设计一种新型自适应干扰观测器(ADO)来估计系统扰动,在保证估计精度的同时,能够有效削弱传统干扰观测器的初始超调现象;然后,基于反步法设计HRV的滑模控制器,在设计中引入参考轨迹重构器以避免故障突变引起的初始尖峰,并且在滑模面的设计中利用ADO所估计的系统扰动实现干扰的在线补偿.仿真结果表明,所设计的控制策略可以有效解决传统的基于高增益干扰观测器的滑模控制律受故障引起的突变和初始估计误差造成控制系统动态性能恶化的问题.     

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。     

Aero‐Engine DCS Fault‐Tolerant Control with Markov Time Delay Based On Augmented Adaptive Sliding Mode Observer

With a focus on aero‐engine distributed control systems (DCSs) with Markov time delay, unknown input disturbance, and sensor and actuator simultaneous faults, a combined fault tolerant algorithm based on the adaptive sliding mode observer is studied. First, an uncertain augmented model of distributed control system is established under the condition of simultaneous sensor and actuator faults, which also considers the influence of the output disturbances. Second, an augmented adaptive sliding mode observer is designed and the linear matrix inequality (LMI) form stability condition of the combined closed‐loop system is deduced. Third, a robust sliding mode fault tolerant controller is designed based on fault estimation of the sliding mode observer, where the theory of predictive control is adopted to suppress the influence of random time delay on system stability. Simulation results indicate that the proposed sliding mode fault tolerant controller can be very effective despite the existence of faults and output disturbances, and is suitable for the simultaneous sensor and actuator faults condition.     

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.     

Robust Actuator‐Fault‐Tolerant Control System Based on Sliding‐Mode Observer for Thrust‐Vectoring Aircrafts

In this paper, a robust actuator‐fault‐tolerant control (FTC) system is proposed for thrust‐vectoring aircraft (TVA) control. To this end, a TVA model with actuator fault dynamics, disturbances, and uncertain aerodynamic parameters is described, and a local fault detection and identification (FDI) mechanism is proposed to locate and identify faults, which utilizes an adaptive sliding‐mode observer (SMO) to detect actuator faults and two SMOs to identify and estimate their parameters. Finally, a fault‐tolerant controller is designed to compensate for these actuator faults, disturbances, and uncertain aerodynamic parameters; the approach combines back‐stepping control with fault parameters and a high‐order SMO. Furthermore, the stability of the entire control system is validated, and simulation results are given to demonstrate the effectiveness and potential for this robust FTC system.     

Observer‐based fault‐tolerant control of hypersonic scramjet vehicles in the presence of actuator faults and saturation

An adaptive sliding mode observer (SMO)–based fault‐tolerant control method taking into consideration of actuator saturation is proposed for a hypersonic scramjet vehicle (HSV) under a class of time‐varying actuator faults. The SMO is designed to robustly estimate the HSV states and reconstruct the fault signals. The adaptive technique is integrated into the SMO to approximate the unknown bounds of system uncertainties, actuator faults, and estimation errors. The robust SMO synthesis condition, which can be formulated as a set of linear matrix inequalities, is improved by relaxing structure constraints to the Lyapunov matrix. An anti‐windup feedback control law, which utilizes the estimated HSV states and the fault signals, is designed to counteract the negative effects of actuator saturation induced by actuator faults. Simulation results demonstrate that the proposed approach can guarantee stability and maintain performance of the closed‐loop system in the presence of HSV actuator faults and saturation.     

基于嵌套自适应观测器的 连铸结晶器振动位移系统有限时间容错控制

针对连铸结晶器振动位移系统存在伺服电机驱动单元等执行器故障和负载转矩扰动问题, 本文提出一种基于嵌套自适应观测器的有限时间容错策略. 首先, 设计一种嵌套自适应观测器在线估计由执行器故障和负载转矩扰动构成的综合不确定项; 其次, 采用分层设计与终端滑模相结合的方法, 分别对位移子系统和电流环子系统设计全阶滑模控制器(FOSMC)和终端滑模控制器补偿综合不确定项, 并通过引入一阶低通滤波器来提高控制信号的连续性. 理论分析表明, 本文所提容错控制策略能够保证闭环系统所有状态有限时间稳定; 最后, 通过仿真对比研究验证了本文所提控制策略的有效性.     

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.