[发明专利]一种针对带有执行器和传感器故障的切换系统的异步容错控制方法

说明书

本发明涉及一种针对带有执行器和传感器故障的切换系统的异步容错控制方法，首先，通过变换将执行器和传感器故障作为状态的一部分，构造一个增广系统；其次，针对增广系统提出了一种故障估计观测器，同时假设观测器的切换信号与原系统存在不可避免的滞后，导致原系统与观测器之间的异步切换；再者，为了解决异步切换问题，给出了误差系统渐近稳定并满足H_∞性能指标的充分条件；最后，基于故障估计信息，设计了基于观测器的状态反馈控制器，以保证闭环系统的稳定性。本发明不仅能够准确地估计系统的状态和故障，而且能保证闭环系统在执行器和传感器故障以及外部扰动情况下是稳定的。

技术领域

本发明涉及故障估计技术领域，尤其涉及一种针对带有执行器和传感器故障的切换系统的异步容错控制方法。

背景技术

随着现代技术的飞速发展，工程系统越来越复杂，对系统的安全性要求也越来越高。但在实践中，系统出现故障是不可避免的，它会影响装置的安全运行，造成系统性能下降，经济损失，甚至是灾难性的后果。在此背景下，故障诊断和容错控制作为一种有效的故障处理方法，在近几十年的发展中发挥着越来越重要的作用。故障诊断包括故障检测、故障隔离和故障估计。故障检测与隔离可以判断系统运行状态以及获得故障发生的位置，并已经取得了一些较好的研究成果。通过与前两部分的比较，故障估计可以获得故障信息的形式以及知道故障发生的位置，并将这些信息应用于容错控制中，然后利用这些信息减少故障影响或进行容错控制。因此，故障估计和容错控制一直是人们研究的热点。

在故障估计技术中，最常用的方法是设计一个故障观测器(或滤波器)和一个故障估计器。近年来，人们对可能发生的故障进行了大量的研究。比如：滑模观测器、未知输入观测器、降阶观测器、可调尺寸动态观测器以及比例积分观测器。滑模观测器可以对可能出现的故障进行重构。基于未知输入观测器(UIO)的故障估计方法，是将故障估计观测器和容错控制器结合起来的一种方法。为了降低估计成本，已经实现了降阶观测器来重构故障，其中提出了基于观测器的容错控制方法。为了在估计精度和估计成本之间取得折衷，一种可调尺寸动态观测器设计方法被提出。基于输出信息，比例积分观测器被应用来重构过程(或执行器)故障。

由于很多复杂的动态过程可以建模为一组线性系统的组合,如机器人控制系统、化学反应过程，汽车工业和开关电源转换器等，理论和实际应用的转换系统已经吸引了许多研究者。针对切换系统的故障诊断和容错控制问题，提出了几种创新的方法。如执行器和传感器在任意切换信号下的故障估计和容错控制；针对具有执行器故障和输入饱和的时滞不确定切换离散系统，利用三角算子方法研究了其鲁棒容错的稳定问题；以及结合常用的李雅普诺夫函数方法和递归设计方法，研究了具有执行器和传感器故障的非线性切换大规模系统的自适应模糊有限时间容错控制问题；也有分别采用基于数据的投影法研究了混合切换系统的传感器和执行器故障估计和补偿问题；基于分段李雅普诺夫函数和平均驻留时间方法，对带有执行器故障和传感器故障的切换模糊随机系统进行了基于比例积分观测器的故障估计和容错控制。

此外，可以看到，前面提到的所有工作都假设观测器或过滤器与子系统是同步的。然而，在实际应用中，系统识别观测器或滤波器是不可避免的。因此，在一般情况下，系统与其观测器或滤波器之间的异步切换是绝对存在的。如何将异步故障诊断与容错控制相结合，成为当前研究的热点。虽然异步故障检测问题是近年来备受关注的研究课题。已有的方法中，通过构造一种基于状态和切换延迟的新型切换策略，研究了连续切换延迟系统的异步故障检测滤波器设计。利用分段李雅普诺夫函数和平均驻留时间方法，研究了异步故障检测观测器设计和容错控制器设计。然而，据我们所知，还没有考虑切换系统的异步故障估计和故障容错控制技术。

发明内容

发明目的：本发明一种针对带有执行器和传感器故障的切换系统的异步容错控制方法，研究了连续时间切换系统在执行器故障、传感器故障和干扰情况下的故障估计和容错控制问题，构造了一个增广系统，针对增广系统提出了一种故障估计观测器；基于故障估计信息，设计了基于观测器的状态反馈控制器，从而保证闭环系统的稳定性。