具有预设性能的自适应容错控制研究及其在水下机器人的应用

摘要

近年来，随着现代科学水平的提高以及人工智能等技术的发展，使得控制系统的复杂性也显著提高，其传感器、执行器以及系统部件发生故障的概率也大大增加.因执行器使用的频繁性，所以执行器故障是最常见的故障之一.为了改进系统的可靠性以及保证系统在执行器发生故障情况下的稳定，文献提出了许多有效的故障容错控制方法.但是已有成果中，大都考虑系统稳态性能的研究，而较少关注瞬态性能.本文将预设性能控制与容错控制相结合，针对几类带有执行器故障的非线性系统，利用自适应控制、后推控制以及神经网络等技术，提出了几种自适应容错控制方案.本文的研究内容概括如下:
　　第一，针对一类具有执行器故障的非线性系统，考虑了系统中含有未建模动态、执行器偏置故障及预设性能要求的情况，将预设性能函数与非线性容错控制理论相结合，提出一种基于预设性能的自适应故障容错控制方案.该方案引入了一个动态信号以消除系统的未建模动态，并通过构造性能函数和误差转换函数对跟踪误差进行转换.通过理论分析，证明了在容错控制器的作用下闭环控制系统的所有信号半全局一致终结有界.最后，针对自主水下机器人航向控制子系统的仿真结果，表明了所提方案的有效性.
　　第二，针对一类具有执行器不可建模故障的非线性系统，在考虑外界干扰和预设性能要求的情况下，通过引入的转换函数将初始受约束的跟踪误差转变为无约束的信号，进而将初始系统转换为结构一致的非线性系统，提出了一种预设性能自适应容错后推控制方案.该方案能够使得输出误差满足预先设定的性能标准，同时闭环系统所有信号半全局一致终结有界，消除了执行器不可建模故障的影响.水下机器人仿真结果验证了所设计方案的有效性.
　　第三，针对一类带有未建模动态和不可建模故障的非线性系统，提出了一种基于指令滤波和预设性能的自适应容错控制方案.该方案通过引入Nussbaum函数解决了系统控制方向未知的问题.该方案将指令滤波器与后推技术相结合，避免了对后推设计过程中每一步的虚拟控制信号进行求导，从而使得容错控制器设计的复杂度大大降低.另外，该方案通过引入预设性能函数和误差转化函数，将原系统转换为结构相同的等效系统，从而将预设控制问题转换为稳定性分析问题.通过理论分析，证明了闭环系统的所有信号是半全局一致终结有界的，且系统跟踪误差满足预设性能.最后，仿真结果表明了所设计的控制算法的有效性.
　　第四，研究了一类带有时变执行器故障的非线性系统的自适应主动容错控制问题.首先，提出一种故障诊断算法，并设计了一个容错控制方案以保证闭环系统中的所有信号半全局一致最终有界，避免了控制器的奇异性.该方案首先计算出了故障诊断所诱导的时滞，即，故障诊断中每个步骤所花费的时间，并定量分析了时滞对故障系统性能的影响.另外，严格推导了时滞的解析表达式，给出了故障应当满足的条件，以保证该时滞期间由标称控制器控制的故障系统保持良好的跟踪性能.此外，针对该时滞产生的不利影响提出了相应的解决方案.最后，仿真结果证明了所提出的控制算法的有效性.

目录

论文说明

摘要

符号说明与预备知识

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 容错控制方法和研究现状

1．2．1 容错控制方法

1．2．2 研究动态

1．3 预设性能

1．4 水下机器人的建模与容错控制介绍

1．4．1 水下机器人的建模

1．4．2 水下机器人的容错控制

1．5 本文的主要内容

第二章 具有未建模动态的非线性系统预设性能容错控制

2．2 问题的描述与基本假设

2．3 预设性能函数描述

2．4 基于神经网络的自适应容错控制器设计

2．5 稳定性分析

2．6 仿真分析

2．7 结论

第三章 具有不可建模故障和预设性能的容错后推控制

3．1 引言

3．2 问题描述与基本假设

3．3 性能函数描述及误差转换

3．4 基于神经网络的容错后推控制器设计

3．5 稳定性分析

3．6 仿真结果

3．7 结论

第四章 基于指令滤波和预设性能的自适应容错跟踪控制

4．1 引言

4．2 问题的描述与基本假设

4．3 预设性能及误差转换

4．4 基于指令滤波的自适应容错控制器设计

4．4．1 指令滤波器简介

4．4．2 控制器设计

4．5 稳足性分析

4．6 仿真结果

4．7 结论

第五章 主动容错控制及故障诊断所诱导时滞的分析

5．1 引言

5．2 问题的描述与基本假设

5．3 主要结果

5．3．1 故障检测

5．3．2 故障隔离

5．3．3 故障估计

5．3．4 故障补偿

5．4 时滞对系统性能的影响分析

5．5 仿真结果

5．6 结论

6．1 总结

6．2 进一步的研究工作

参考文献

致谢

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