基于自适应多设计融合的执行器故障补偿技术及其应用

发布时间：2017-08-29 14:37

  本文关键词：基于自适应多设计融合的执行器故障补偿技术及其应用

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【摘要】：执行器故障将导致被控系统性能的损失,严重的执行器故障会造成系统性能的逐渐恶化,甚至破坏系统的稳定性。为了提高系统的安全性和可靠性,设计一种能够有效处理此类执行器故障的控制方法是十分必要的。因此,对于执行器故障补偿技术的研究具有重要的理论和实际意义。在实际系统中,执行器故障本质上是不确定的。通常情况下,系统运行过程中无法事先得知哪些执行器会发生故障,且故障发生的时间、故障类型、故障值的大小,以及故障参数都是不确定的。此外,执行器故障会导致被控系统变为欠驱动系统,在该情况下,故障补偿控制设计变得更加困难和复杂。本文针对具有未知系统参数和执行器故障的非线性系统,提出了新的自适应执行器故障补偿设计方法。该方法能够在不需要知道执行器故障发生时间和故障参数等具体信息的条件下,有效补偿不确定执行器故障对系统性能造成的影响,同时保证闭环系统的稳定性和渐近跟踪性能。论文的贡献之处在于发展了新的自适应非线性故障补偿控制算法,扩展了自适应非线性控制理论体系,为故障补偿控制系统的设计和算法应用奠定了理论基础。本文研究了如下几类非线性系统的自适应执行器故障补偿问题,并取得了系统性的研究成果,包括:(1)针对含有不确定执行器故障的多变量参数严格反馈系统,研究其输出跟踪控制问题,设计基于反演控制的自适应故障补偿控制方法。(2)针对多输入多输出可反馈线性化的非线性系统,研究其故障情况下的输出跟踪控制问题,基于反馈线性化设计了自适应执行器故障控制策略。(3)分别针对系统参数已知和未知情况下的刚体系统,建立能够有效处理不确定执行器故障的多控制器融合的故障补偿技术,并分析所设计的控制器关于未建模动态的鲁棒性。(4)研究了欠驱动系统的故障补偿控制问题。与传统的欠驱动系统的控制设计所不同,本文针对故障信息未知的欠驱动系统,提出一种基于多模型切换的自适应容错控制方法,其能够有效解决欠驱动系统执行器故障不确定的问题,保证了系统的稳定。针对每一种可补偿的执行器故障模式,通过求解驱动方程得到参数化的控制器结构;依据定义的故障指示函数将各故障情况下设计的独立控制器融合成一个能够解决所有故障情况的综合控制器。为处理对象参数和执行器故障的不确定性,构造了误差动态方程,并基于该误差方程设计了相应的自适应律从而对未知控制器参数进行在线更新。理论分析表明:本文所设计的自适应执行器故障补偿策略能够在不需要任何故障检测和诊断单元的情况下,有效地处理执行器故障的不确定性,同时保证了闭环系统的稳定性和渐近跟踪性能。为验证所提出的自适应故障补偿控制策略的有效性,将本文所设计的故障补偿控制算法应用于近空间飞行器姿态控制系统,不同类型执行器驱动下的航天器姿态控制,以及3D刚体角速率控制系统中。仿真研究表明:本文所提出的故障补偿算法有效地实现了对执行器未知故障的补偿,并保证了整个闭环系统的稳定性与渐近跟踪性能。
【关键词】：执行器故障 自适应控制 执行器故障补偿 多设计融合 欠驱动系统
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V267
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 注释表14-15
• 缩略词15-16
• 第一章 绪论16-24
• 1.1 研究背景及意义16-17
• 1.2 执行器故障补偿技术的研究现状17-21
• 1.2.1 基于故障检测和诊断的故障补偿设计17
• 1.2.2 基于多模型切换控制的故障补偿设计17-18
• 1.2.3 基于自适应的故障补偿设计18
• 1.2.4 基于鲁棒控制的故障补偿设计18-19
• 1.2.5 基于智能算法的故障补偿设计19-21
• 1.3 自适应控制系统的概念21-22
• 1.4 本文的主要内容及章节安排22-24
• 第二章 基本问题和技术背景24-39
• 2.1 引言24
• 2.2 技术背景24-35
• 2.2.1 反演控制24-32
• 2.2.2 反馈线性化32-35
• 2.3 执行器故障补偿问题35-37
• 2.4 本章小结37-39
• 第三章 参数严格反馈非线性系统的自适应故障补偿39-54
• 3.1 引言39
• 3.2 问题描述39-42
• 3.2.1 系统模型和执行器故障模型39-41
• 3.2.2 可补偿的执行器故障模式41-42
• 3.2.3 控制问题42
• 3.3 执行器故障补偿设计42-51
• 3.3.1 理想的非线性反馈控制信号设计43-44
• 3.3.2 理想的执行器故障补偿器设计44-45
• 3.3.3 自适应执行器故障补偿器设计45-50
• 3.3.4 所有故障情况下的自适应控制设计50-51
• 3.4 控制性能验证51-53
• 3.4.1 系统模型51
• 3.4.2 仿真研究51-53
• 3.5 结论53-54
• 第四章 可反馈线性化非线性系统的自适应故障补偿54-82
• 4.1 引言54
• 4.2 问题描述54-58
• 4.2.1 具有执行器故障的系统54-55
• 4.2.2 故障模式集55
• 4.2.3 控制问题55-56
• 4.2.4 反馈线性化设计56-58
• 4.3 执行器故障补偿设计58-68
• 4.3.1 执行器故障补偿控制目标58-59
• 4.3.2 理想的执行器故障补偿设计59-61
• 4.3.3 自适应执行器故障补偿设计61-66
• 4.3.4 针对所有故障模式的控制器设计66-67
• 4.3.5 含有零动态系统的控制器设计67-68
• 4.4 仿真研究68-81
• 4.4.1 近空间飞行器姿态控制系统68-69
• 4.4.2 仿真条件69-71
• 4.4.3 仿真结果71-81
• 4.5 本章小结81-82
• 第五章 系统参数已知的刚体系统的自适应故障补偿82-104
• 5.1 引言82
• 5.2 问题描述82-85
• 5.2.1 刚体系统模型和执行器故障模型82-84
• 5.2.2 可补偿的故障模式集84-85
• 5.2.3 控制问题85
• 5.3 执行器故障补偿设计85-98
• 5.3.1 自适应故障补偿器设计目标85
• 5.3.2 Backstepping控制设计85-86
• 5.3.3 理想的执行器故障补偿器设计86-88
• 5.3.4 自适应执行器故障补偿器设计88-93
• 5.3.5 所有故障情况下的自适应控制器设计93
• 5.3.6 鲁棒性能分析93-98
• 5.4 仿真研究98-102
• 5.4.1 故障情况与仿真条件99-102
• 5.4.2 仿真结果102
• 5.5 总结102-104
• 第六章 刚体系统的自适应执行器故障和干扰补偿104-122
• 6.1 引言104-105
• 6.2 问题描述105-109
• 6.2.1 刚体系统模型和执行器故障模型105-107
• 6.2.2 飞轮驱动的航天器控制问题107-108
• 6.2.3 推力器驱动的航天器控制问题108-109
• 6.3 飞轮驱动的航天器的执行器故障补偿设计109-116
• 6.3.1 执行器故障补偿目标110
• 6.3.2 自适应Backstepping反馈控制设计110-111
• 6.3.3 理想的执行器故障补偿设计111-113
• 6.3.4 自适应执行器故障补偿设计113-116
• 6.4 推力器驱动下的执行器故障补偿设计116-117
• 6.5 仿真研究117-121
• 6.5.1 航天器模型117-118
• 6.5.2 单飞轮故障下的姿态调节118-119
• 6.5.3 单飞轮故障下的姿态跟踪119-120
• 6.5.4 多推力器故障下的姿态跟踪120-121
• 6.6 总结121-122
• 第七章 欠驱动刚体系统的自适应容错控制122-136
• 7.1 引言122
• 7.2 问题描述与背景122-124
• 7.3 系统参数已知故障未知情况下的控制器设计124-127
• 7.3.1 各种故障情况下的控制律设计124-125
• 7.3.2 各种故障情况下状态预测器设计125-126
• 7.3.3 控制切换机制126
• 7.3.4 闭环系统稳定性126-127
• 7.4 系统参数和故障均未知情况下的控制器设计127-132
• 7.4.1 各种故障情况下的控制律设计127-129
• 7.4.2 多自适应状态预测器设计129-130
• 7.4.3 状态预测器参数的自适应律130-131
• 7.4.4 控制切换机制131
• 7.4.5 闭环系统稳定性131-132
• 7.5 仿真研究132-135
• 7.5.1 仿真条件132
• 7.5.2 仿真结果132-133
• 7.5.3 讨论133-135
• 7.6 总结135-136
• 第八章 总结与展望136-138
• 8.1 本文的主要工作136-137
• 8.2 后续研究工作的展望137-138
• 参考文献138-150
• 致谢150-151
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文151-153

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