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切换系统的故障诊断与容错控制研究

作　者: 杜董生
导　师: 姜斌
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 切换系统故障检测滤波器故障估计故障调节容错控制
分类号: TP206.3
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

切换系统是由有限个子系统和一个切换信号构成的动态系统。在实际工程系统中，许多本身具有多模态性质的实际系统均可建模为切换系统，如电力系统、化工系统、航空航天、网络通信等。因此针对线性时不变切换系统的理论研究逐步形成和发展起来，并为其它复杂多模态切换系统的研究提供了理论基础。然而，目前有关线性切换系统的理论研究仍不够完善，大多数结论都是针对线性切换系统的稳定性问题，H控制问题等，特别是关于切换系统故障诊断与容错控制问题的研究成果较少，因此极大的限制了其在工程领域的应用。本文将在线性切换系统稳定性研究成果的基础上，基于观测器的方法系统地研究线性切换系统的故障诊断与容错控制技术。故障检测是故障诊断的第一个环节，主要任务是检测系统是否发生了故障；一旦系统中有故障发生，下一环节就是估计故障的大小，即故障估计。相比较于故障检测，故障估计更为复杂和困难。基于故障估计在线所获取的故障信息，即可实现反馈控制器的设计，保持系统稳定。本文研究了基于线性切换系统模型的故障检测、故障估计、故障调节和容错控制问题，建立了一套系统的线性切换系统故障诊断和容错控制理论框架，主要内容如下：首先，基于离散切换系统稳定性理论，针对时变时滞和带有随机输出影响的离散切换系统，研究了当系统发生故障时的故障检测问题。本文将常时滞情形推广至时变时滞情形，假定随机输出的随机变量服从伯努利分布。其主要思路是将故障检测滤波器设计问题归结为H滤波问题，应用线性矩阵不等式技术推导和证明了问题可解的充分条件，并通过算例验证了方法的有效性。其次，针对连续线性切换系统模型在实际工程运行中广泛存在的异步切换现象，即观测器与原系统的切换时间不同步时，研究了异步故障检测滤波器的设计问题。利用分段Lyapunov函数和平均驻留时间方法，将故障检测滤波器设计问题归结为H滤波问题，给出了连续切换系统的故障检测滤波器的参数化解，并通过仿真算例对该结论进行验证。再次，针对连续时滞切换系统，研究了当传感器发生故障时的故障估计和故障调节问题。本文基于增广观测器方法和线性矩阵不等式技术，给出了估计传感器故障的增广观测器设计方法，并将此研究结果推广至非线性情形。值得指出的是，该方法实现故障估计的故障信息可以是常值的、时变的，甚至是无界的。同时，基于在线获取的故障估计信息，设计了基于静态输出反馈的故障调节设计方法。然后，针对常时滞和时变时滞连续切换系统，研究了执行器发生故障的故障估计和故障调节问题。基于自适应观测器和平均驻留时间方法，给出了快速故障估计的算法。基于自适应观测器所设计的估计算法不但适于估计常值故障，也适于估计时变故障。基于在线获取的故障信息，给出了基于观测器的状态反馈故障调节设计方法。最后，针对包含稳定和不稳定子系统的离散切换系统，研究了当执行器发生故障时的容错控制器设计问题。本文应用平均驻留时间方法和线性矩阵不等式技术，给出了基于观测器的状态反馈容错控制器的设计方法，并通过仿真算例进行验证。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
图表清单  11-12
注释表  12-13
第一章绪论  13-23
  1.1 研究背景及意义  13-18
  1.2 故障检测与诊断的基本问题  18-21
    1.2.1 故障检测与诊断中的基本概念  18-19
    1.2.2 故障检测与诊断的研究内容和评价指标  19-20
    1.2.3 故障检测与诊断的主要方法  20-21
  1.3 本课题的研究现状  21
  1.4 本文的内容及安排  21-23
第二章时滞离散切换系统的故障检测  23-35
  2.1 引言  23
  2.2 问题的形成  23-26
    2.2.1 问题的描述  23-24
    2.2.2 故障检测滤波器  24
    2.2.3 故障加权矩阵  24-25
    2.2.4 残差评价  25
    2.2.5 残差系统  25-26
  2.3 故障检测滤波器设计  26-31
    2.3.1 故障检测分析  26-29
    2.3.2 故障检测滤波器设计  29-31
  2.4 仿真算例  31-33
  2.5 本章小结  33-35
第三章随机输入切换系统的故障检测  35-49
  3.1 引言  35
  3.2 问题的描述  35-38
  3.3 故障检测滤波器设计  38-45
  3.4 仿真算例  45-47
  3.5 本章小结  47-49
第四章异步连续切换系统的故障检测  49-61
  4.1 引言  49
  4.2 问题描述  49-51
  4.3 故障检测滤波器设计  51-58
    4.3.1 性能分析  51-56
    4.3.2 滤波器设计  56-58
  4.4 仿真算例  58-59
  4.5 本章小结  59-61
第五章传感器故障估计与调节  61-78
  5.1 引言  61
  5.2 广义观测器设计  61-74
    5.2.1 没有干扰信号的故障估计  62-67
    5.2.2 鲁棒故障估计  67-70
    5.2.3 非线性情形  70-74
  5.3 故障调节  74
  5.4 仿真验证  74-75
  5.5 本章小结  75-78
第六章执行器故障估计与调节  78-102
  6.1 引言  78
  6.2 常时滞情形  78-86
    6.2.1 模型描述  78-79
    6.2.2 故障估计  79-85
    6.2.3 故障调节  85-86
  6.3 变时滞情形  86-96
    6.3.1 问题描述  86-87
    6.3.2 主要结论  87-96
      6.3.2.1 故障诊断观测器设计  87-88
      6.3.2.2 故障估计算法设计  88-94
      6.3.2.3 故障调节  94-96
  6.4 仿真算例  96-99
  6.5 本章小结  99-102
第七章离散切换系统的容错控制  102-113
  7.1 引言  102
  7.2 模型描述  102-104
  7.3 主要结论  104-111
  7.4 仿真算例  111-112
  7.5 本章小结  112-113
第八章总结与展望  113-115
  8.1 论文总结  113
  8.2 研究展望  113-115
参考文献  115-126
致谢  126-127
在学期间发表的学术论文和参加科研情况  127-129

切换系统的故障诊断与容错控制研究

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