[發(fā)明專利]一種針對帶有執(zhí)行器和傳感器故障的切換系統(tǒng)的異步容錯控制方法

有效

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• 申請日: 2020-01-10
• 公開（公告）號: CN111158343B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發(fā)明（設計）人: 杜董生;楊月;吳瑜;王業(yè)琴;趙環(huán)宇;唐中一
• 申請（專利權(quán)）人: 淮陰工學院
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 淮安市科文知識產(chǎn)權(quán)事務所 32223
• 代理人: 謝觀素

本發(fā)明涉及一種針對帶有執(zhí)行器和傳感器故障的切換系統(tǒng)的異步容錯控制方法，首先，通過變換將執(zhí)行器和傳感器故障作為狀態(tài)的一部分，構(gòu)造一個增廣系統(tǒng)；其次，針對增廣系統(tǒng)提出了一種故障估計觀測器，同時假設觀測器的切換信號與原系統(tǒng)存在不可避免的滯后，導致原系統(tǒng)與觀測器之間的異步切換；再者，為了解決異步切換問題，給出了誤差系統(tǒng)漸近穩(wěn)定并滿足H_∞性能指標的充分條件；最后，基于故障估計信息，設計了基于觀測器的狀態(tài)反饋控制器，以保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明不僅能夠準確地估計系統(tǒng)的狀態(tài)和故障，而且能保證閉環(huán)系統(tǒng)在執(zhí)行器和傳感器故障以及外部擾動情況下是穩(wěn)定的。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及故障估計技術(shù)領域，尤其涉及一種針對帶有執(zhí)行器和傳感器故障的切換系統(tǒng)的異步容錯控制方法。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，工程系統(tǒng)越來越復雜，對系統(tǒng)的安全性要求也越來越高。但在實踐中，系統(tǒng)出現(xiàn)故障是不可避免的，它會影響裝置的安全運行，造成系統(tǒng)性能下降，經(jīng)濟損失，甚至是災難性的后果。在此背景下，故障診斷和容錯控制作為一種有效的故障處理方法，在近幾十年的發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。故障診斷包括故障檢測、故障隔離和故障估計。故障檢測與隔離可以判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)以及獲得故障發(fā)生的位置，并已經(jīng)取得了一些較好的研究成果。通過與前兩部分的比較，故障估計可以獲得故障信息的形式以及知道故障發(fā)生的位置，并將這些信息應用于容錯控制中，然后利用這些信息減少故障影響或進行容錯控制。因此，故障估計和容錯控制一直是人們研究的熱點。

在故障估計技術(shù)中，最常用的方法是設計一個故障觀測器(或濾波器)和一個故障估計器。近年來，人們對可能發(fā)生的故障進行了大量的研究。比如：滑模觀測器、未知輸入觀測器、降階觀測器、可調(diào)尺寸動態(tài)觀測器以及比例積分觀測器。滑模觀測器可以對可能出現(xiàn)的故障進行重構(gòu)。基于未知輸入觀測器(UIO)的故障估計方法，是將故障估計觀測器和容錯控制器結(jié)合起來的一種方法。為了降低估計成本，已經(jīng)實現(xiàn)了降階觀測器來重構(gòu)故障，其中提出了基于觀測器的容錯控制方法。為了在估計精度和估計成本之間取得折衷，一種可調(diào)尺寸動態(tài)觀測器設計方法被提出。基于輸出信息，比例積分觀測器被應用來重構(gòu)過程(或執(zhí)行器)故障。

由于很多復雜的動態(tài)過程可以建模為一組線性系統(tǒng)的組合,如機器人控制系統(tǒng)、化學反應過程，汽車工業(yè)和開關電源轉(zhuǎn)換器等，理論和實際應用的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)已經(jīng)吸引了許多研究者。針對切換系統(tǒng)的故障診斷和容錯控制問題，提出了幾種創(chuàng)新的方法。如執(zhí)行器和傳感器在任意切換信號下的故障估計和容錯控制；針對具有執(zhí)行器故障和輸入飽和的時滯不確定切換離散系統(tǒng)，利用三角算子方法研究了其魯棒容錯的穩(wěn)定問題；以及結(jié)合常用的李雅普諾夫函數(shù)方法和遞歸設計方法，研究了具有執(zhí)行器和傳感器故障的非線性切換大規(guī)模系統(tǒng)的自適應模糊有限時間容錯控制問題；也有分別采用基于數(shù)據(jù)的投影法研究了混合切換系統(tǒng)的傳感器和執(zhí)行器故障估計和補償問題；基于分段李雅普諾夫函數(shù)和平均駐留時間方法，對帶有執(zhí)行器故障和傳感器故障的切換模糊隨機系統(tǒng)進行了基于比例積分觀測器的故障估計和容錯控制。

此外，可以看到，前面提到的所有工作都假設觀測器或過濾器與子系統(tǒng)是同步的。然而，在實際應用中，系統(tǒng)識別觀測器或濾波器是不可避免的。因此，在一般情況下，系統(tǒng)與其觀測器或濾波器之間的異步切換是絕對存在的。如何將異步故障診斷與容錯控制相結(jié)合，成為當前研究的熱點。雖然異步故障檢測問題是近年來備受關注的研究課題。已有的方法中，通過構(gòu)造一種基于狀態(tài)和切換延遲的新型切換策略，研究了連續(xù)切換延遲系統(tǒng)的異步故障檢測濾波器設計。利用分段李雅普諾夫函數(shù)和平均駐留時間方法，研究了異步故障檢測觀測器設計和容錯控制器設計。然而，據(jù)我們所知，還沒有考慮切換系統(tǒng)的異步故障估計和故障容錯控制技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明一種針對帶有執(zhí)行器和傳感器故障的切換系統(tǒng)的異步容錯控制方法，研究了連續(xù)時間切換系統(tǒng)在執(zhí)行器故障、傳感器故障和干擾情況下的故障估計和容錯控制問題，構(gòu)造了一個增廣系統(tǒng)，針對增廣系統(tǒng)提出了一種故障估計觀測器；基于故障估計信息，設計了基于觀測器的狀態(tài)反饋控制器，從而保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。