[发明专利]非线性系统执行器故障的自适应增量优化容错控制方法

说明书

本发明公开了一种非线性系统执行器故障的自适应增量优化容错控制方法，包括：设置状态跟踪误差约束边界，根据预定性能边界对系统进行等价变换；建立非线性系统的增量模型，针对系统状态不可测的情形，获得输出预测方程；设计执行器分组策略并设计增量自适应故障观测器以估计执行器故障参数；采用递推最小二乘算法对增量系统进行辨识，得到系统矩阵的值；设定最优性能指标并设计增量自适应优化容错控制器，通过策略迭代解算出对应的增量控制指令。本发明考虑了非线性系统状态不可测且模型未知的情况，当系统执行器发生部分失效、卡死等组合故障时，使非线性系统仍然有效地跟踪给定参考信号，满足预定的动态性能要求且性能指标最优。

技术领域

本发明涉及非线性系统的容错控制技术领域，具体而言涉及一种非线性系统执行器故障的自适应增量优化容错控制方法。

背景技术

在智能化的发展趋势下，现代控制系统所服务的被控对象种类繁多，在自然界和工程技术领域里为人们所熟知的系统更多地呈现为非线性形式。一方面，各类系统的自动化程度不断提高，控制需求的增加，对控制性能的实现与优化提出了各种更高的要求。以比例-积分-微分控制为代表的传统控制方法，凭借自身极其出色的实用性，长久以来，在工程技术领域中有极为广泛的应用，但随着多年来各方研究与实践的深入探索，其优势已被发掘殆尽，在面对更高的控制精度及更优的性能要求时，传统的控制器设计变得愈发困难。因此研究新型的控制方法以满足性能实现与优化的需求是十分必要的。另一方面，控制系统设计集成度提高，技术难度提升，面对复杂多样的系统运行环境，系统的可靠性降低，故障率随之增大，给系统的实际运行带来很大的风险。由过往事故教训和经验可知，执行器是在运行过程中故障发生频率最高部分之一。目前，由于非线性系统本身的复杂性、多样性以及非线性控制理论本身不够完备，非线性系统执行器故障的容错控制问题仍然是设计研究人员面临的难题。因此，研究一种非线性系统执行器故障的自适应增量优化容错控制方法有很大的理论和应用价值。

容错控制与鲁棒控制、自适应控制、故障检测与诊断(Fault Detection andDiagnosis，FDD)等方法都有着密切的联系。从1971年Niederlinski提出完整性控制这一概念开始，至今已经有了四五十年的历史，但容错控制理论和方法仍然处于蓬勃发展的阶段。按照容错控制理论的两类主要思路，现有方法一般可分为被动容错控制和主动容错控制两大类。

被动容错控制是以被动方式处理系统中可能出现的故障，利用鲁棒控制思想，设计结构固定的控制器且参数固定不变。基于系统故障的最坏情况来设计，本身缺乏构造性，保守性太强，虽然对所考虑的故障不敏感，但同时也牺牲了部分系统性能，致使容错后的系统性能仍然存在很大的优化空间。另外，需要足够多的关于故障的先验知识，能处理的故障种类是有限的，不适用于故障复杂的情况，对于一些不可预见的故障，这类控制器甚至几乎没有应对能力。

主动容错控制方法则主要采用解析冗余，即在故障发生后，利用系统部件在功能上的冗余，整合调节可用资源，重新解析控制信号，调节控制器参数或重构控制器，从而达到容错的目的。主动容错控制方法更具构造性和灵活性，通过FDD技术提供故障信息用于控制信号的解析。基于FDD的主动容错控制方法一般分为控制律重新调度和重构两类。控制律重新调度的设计思想是在离线状态下，对预判的各类故障提前设计好相应的控制器增益参数，根据故障信息主动选择相应的模式和参数即在线选择对应的容错控制律。控制律重构是根据FDD模块获取的故障信息，对原控制律进行在线重组或重构，得到适用于应对当前故障的容错控制律，使系统保持稳定和持续运行的能力。