非线性系统自适应故障补偿和阻塞设计

抽象性

拟为多变量非线性系统提供基于反馈线性化设计的全面自适应补偿控制策略,这些系统有不确定启动器故障和未知错位扰动线性动态系统通过非线性反馈线性化获取,并给出不匹配扰动动态模型及其与非线性系统的相关性干扰对系统输出的影响用线性化系统基本控制器抑制直接自适应控制器开发多不确定启动器故障最后,基于自适应加权聚合的综合算法可有效补偿多不确定故障和错位扰动的影响闭环系统稳定无损跟踪性能得到保证可行性和性能建议控制策略通过数值模拟结果验证

开工导 言

启动器故障常见性能临界系统故障发生将严重性能恶化或甚至是系统不稳定的灾难性问题启动器故障特征多重基本不确定性,包括故障模式、时间、值和类型因此,有必要开发有效容错控制技术解决与触发器故障多重不确定性相关的问题,以维护闭环系统可靠性和安全性。

近些年来,启动者故障补偿控制问题吸引了越来越多的注意力。各种控制方法测试几大成就多有效容错控制法在文献中审查一号-5..多模型自适应控制方法在文献中被用作故障补偿6-8..文献[九九-11神经网络应用设计可重构飞行器控制近空间飞行器故障识别容错控制策略设计基础参考自适应滑动模式控制法12..航天器姿态控制系统外部扰动,文献中建议两种有效容错控制法13..为加强多传感器测量系统的整体性能并减少系统上每个传感器故障的影响,建议参考新多传感器信息聚变设计框架14..故障检测诊断法也广泛用于处理控制系统分故障问题15..文献中16,17service设计用于重构启动器故障并设计容错控制器此外,自适应控制也是有效工具,对线性系统和非线性系统广泛应用容错控制18号-21号..启动者非线性系统故障补偿方面已大有实际进展,但控制系统仍有许多未解决问题,动态不定和启动者故障。举例说,可进一步调查泛非线性系统多作用器故障补偿控制问题,提高闭路系统稳定性和无损跟踪控制

所谓的线性反馈系统指非线性系统通过适当的非线性反馈控制线性化[22号..基于反馈线性化,可实现模型匹配、极分配和跟踪等控制目标参考文献23号,24码归并线性理论自适应控制并有效解决参数不确定性和非线性系统容错控制问题此外,受控系统性能因非线性系统实际运行期间各种扰动而大相径庭扰动抑制问题应得到充分关注文献中25码-27号扰动脱钩线性系统可测量扰动为扰动抑制问题提供潜在方法然而,这种方法并不适合不可测量扰动强控法建议用于文献不可计量扰动28码,29sympt跟踪控制目标不实现干扰抑制法基于自适应控制设计可有效估计未知系统参数和扰动参数文献中[30码适应式内部模型控制法应用到航天器系统 实现姿态跟踪外部扰动通用超声波车辆系统参数不确定和外部扰动,文献中建议使用新的滑动模式控制法31号..文献调查非线性系统求解问题32码..并提议单输入单输出非线性系统使用扰动抑制算法,但算法不适用于多输入多输出非线性系统,非线性系统不匹配干扰此外,文献研究多输入多输出非线性系统不匹配扰动[三十三-35码..

未知扰动和不确定启动器故障可能同时发生实际操作,这增加了多输入多输出非线性系统非抽取跟踪控制的困难虽然在扰动抑制和驱动器故障补偿方面已经取得了一些理论性成绩,但多输入多输出非线性系统,一些关键问题仍未解决。非线性系统不定多变性问题在文献中解决35码..在此基础上,多不确定启动器故障补偿和不匹配输入干扰抑制问题在本论文中为反馈线性多变非线性系统案例研究与某些可用容错控制方法相比,目前提议的控制方法显示以下改进:(1)为通用多变量非线性系统设计新自适应启动器故障补偿和扰动拒绝机制,条件松散开发出一种新的复合容错控制法处理一组不确定启动器故障,即使用完全对称估计故障模式参数和故障值参数偏差方程、自适应定律和稳定性分析等细节开发自适应扰动拒绝机制,面向多变量非线性系统,从启动器故障和不可匹配扰动中都产生不确定性,从而确保所期望闭路性能包括信号约束和无干扰输出跟踪和(4)执行重要的飞行器控制应用

二叉问题描述知识准备

本章先描述启动器故障补偿和用冗余启动器抑制系统的问题,然后介绍本文件中涉及的一些基本概念

2.1.控制问题说明

考虑非线性系统如下 去哪儿 状态向量 系统输出 系统输入 不确定外部扰动 , ,并 众所皆知

2.1.1.启动器故障模型

经典开机故障模型可表示为19号万事通 去哪儿 , ,容光焕发 并 表示不确定故障参数 众所皆知故障模型3)以下列参数化表单写 去哪儿 , 当不确定启动器故障发生在系统时,实际输入 系统上动作可表示为 去哪儿 控件输入信号设计 . 对应驱动器故障模式矩阵if 启动程序失效 ;换句话说 .算作启动器故障5系统模型可表示为

2.1.2.外部扰动模型

扰动词 论文有以下特征:(1) 表示干扰信号 与控制信号不兼容 ;(2)扰动矢量组件 可表示为36号: 并可用参数化表单重写 去哪儿 , , , 并 身份不明 众所皆知通过选择合适的 和基本函数 ,扰动模型7可提供多实用扰动信号近似描述,如常量值、类比信号和非类比时间扰动

注释1扰动与控件输入一致时,即 并 ,控件信号可导出 ,去哪儿 基本控件变量可稳定非线性多变系统 干扰抑制组件不匹配即 并 ,上位控制法无法消除扰动的影响新建控件输入 需要设计抑制扰动

2.1.3控制目标

面向系统一号不确定启动器故障3上至 无匹配外部扰动 ,故障数取决于实际应用论文中 .即总启动故障不多于 ,无法预辨出故障的确切量启动者故障补偿法在本案中设计可应用到多启动者同时或交替故障问题数学表达式对应故障模式

本文根据实现上述控制目标的下列假设开发故障补偿算法

假设2时多一系统驱动器一号故障信息可用性,仍有可能设计有效控制方法以适应剩余驱动器,使系统仍然实现预期控制目标

论文的目标是设计自适应控制器 解决多重故障和扰动问题,特别是不确定故障模式,以保障闭路系统稳定化和系统输出无序跟踪性能

2.2.反馈线性化

多输入多输出非线性系统 去哪儿 , .

假设3假设相关向量为 邻里 时间点 ,if for , , , , ,并 For .

类似地,非线性系统输入干扰 去哪儿 , ,并有关联集 , .扰动抑制设计 多变量非线性系统

假设4.if ,并发 ;if ,并发 .

2.2.1.严格反馈线性化

if ,系统化一号可转换成严格反馈子系统 ,去哪儿

后动态方程变换 去哪儿 , , ,并 有 数行 , ,并 ,相继 , ,带

系统输出表示

2.2.2偏反馈线性化

if ,系统内只能实现局部反馈线性化一号通过坐标转换方式 .假设 平滑函数下表单

文献[24码表示总有平滑映射 组成差异自态 , , ,系统化一号转换成 去哪儿 , , , 拥有相同定义方程13) , 异常扰动 , ,并 .系统化19号称它为多变量非线性系统零动态形式一号)

2.2.3.非线性反馈控制法

基于假设3并4系统参数和非线性系统故障参数一号可访问性反馈线性设计可用于设计理想控制器通过取 衍生物 系统内部一号),我们可以获取以下方程 去哪儿 .可深入获取 何时 并假设 非定义内 ,控件输入信号可重排列

可获取线性系统 去哪儿 线性反馈控制法拟设计

2.2.4.线性反馈控制

线性化系统控制法提供保证系统输出跟踪性能的可能性控制法 华府市 去哪儿 .替换 和方程24码进方程23号动态方程跟踪错误 获取方式

选择合适的值 , , 化为Hurwitz多义输出错误和高衍生 异步接近零 .if 受界化后可期望受界化 .

备注5if for all , ,并发 ,方程中26即 , .方程21号可简化为

线性系统成为免扰动系统,干扰抑制在基本反馈控制系统是不必要的此外,加方程24码等式21号可进一步表示 ,去哪儿 可假设下列简化

备注6if , ,并发 方程中20码)与扰动词相关 和差值 ,可表示为差值函数 .在这种情况下,为了实现扰动抑制和无药跟踪控制,必须提前获取扰动差分信息推导过程相当复杂因此,在设计中不考虑这种情况

3级启动者故障补偿和阻塞设计

if关联系统 满足度 ,系统不确定启动器故障可严格反馈线性化并转换成

基于 , 方程中24码控制信号 系统化27号)可以通过非线性反馈确定,如果

控制信号可保证无损输出跟踪,即 .发生不确定启动器故障后,控制输入信号 可按方程计算28码)

3.1.自适应扰动抑制设计

控制信号 反馈线性化由本章确定详细推理包括自适应控制器、误差方程、参数自适应更新法则和稳定性分析

3.1.1适配反馈线性设计

扰动模型 , 函数已知值同时 未知参数未知参数可用 干扰抑制设计 估计扰动参数 , .基于估计,自适应线性控制法 去哪儿 估计值 ,估计分量

3.1.2错误模型

等一等 , , , , , , , .组合系统输出方程15: , , , 并 ,人可以获取 , , , , , , , .多输出多输出系统状态错误方程由多输出多输出系统计算 去哪儿 , ,并 ,

3.1.3自适应法

基于报错系统31号)自适应法集成更新未知扰动参数 .Lyapunov函数设计形式如下 适应增益矩阵 , 正对称矩阵并满足下列方程 去哪儿 .取衍生物 给 去哪儿 , , 正构件 , .设计控制方程由 并自适应参数定理 华府市

配方程替换三十三),可获取以下

保证 , .闭环系统稳定性可以从负定义中判定 并 , .显示控制系统实现期望性能

3.2自适应故障补偿控制设计

假设故障信息(故障模式、故障值和故障时间)已知两位理想控制器 并 设计面向两种案例(无故障启动程序 故障问题)通过加权聚变设计综合控制器 获取后可处理上述两种故障模式并发问题

3.2.1无故障条件

以本案为例 ,控制方程28码)是 .通过选择适配 ,下方程可满足

通过解方程 ,可获取下方程 去哪儿 .

3.2.2.2 故障条件

以实例 故障条件 , , , , ,去哪儿 , ,去哪儿 ,选择合适的矩阵方程 ,人本可以 .方程可以解决

理想控制器在此条件下

3.2.3集成控制法

故障索引函数定义为

带加权控制器聚合 并 ,理想综合控制器结构实现 去哪儿

3.2.4.自适应控制器结构

从方程44号结构自适应控制器推导 去哪儿

并 估计值 并 , , , , , .

备注7as数 增量参数启动器失效 并 ,失效模型 并增加在我们拟启动者失效补偿设计中 所有未知参数都估计多功能 或 )基于时间 , , , , .科技开发后 计算机变得更加先进 计算复杂性可以有效解决

32.5错误方程

方程分解21号可重写为

获取输出错误 和参数估计错误 , ,动态公式间 并 重拟为

if 去哪儿 , , .

if ,方程49号可表示为

状态差错方程可以从方程中获取50码),51号中文本不适用 去哪儿 , 算法 Th组件 , , .

3.2.6自适应法

基于差错方程52)适应性定律可用投影算法和参数推导 , , 并 , ,估计值 去哪儿 , 并 自适应增益 投影算法因此,根据自适应法 ,我们可以推导出 并

3.2.7性能分析

时间段 , , .Lyapunov函数定义为

组合方程37号),50码),51号),52),53号),54号),55号)一派衍生物

因此,可以证明设计自适应控制器及其参数自适应定律可确保在免故障条件下所期望系统性能,即 , , , ,并 均受约束,输出误差随时间流向零

(二) 指动器 时间段有故障 高山市 )即 ,Lyapunov函数定义为

组合方程37号),50码),51号),52),53号),54号),55号)提供派生 ,

上方程表示 , , , , , 并 , 受约束启动程序 失败 。外加自适应投影算法 可保证 .因此,可以验证加法 ,闭环系统稳定化,输出异步接近零 .最后,可获取下列定理

8定理多变量非线性系统一号潜在不确定启动器故障3和不匹配扰动 ,控制器45码)及其参数自适应性定律可确保闭环系统稳定性和无损跟踪输出 ,如果 和等效控制矩阵 不确定故障条件全排域 高山市定义化 )

3cm3零动态系统故障补偿设计

if ,差别自定义

非线性系统不确定启动器故障 , 转换成 和零动态子系统 去哪儿 , 绝对存在非唯一性 , 关联故障模式 .

3.3.1稳定零动态假设

确保闭环系统稳定输出 无药跟踪参考信号 ,差值差 , 联想 受界分片持续本文中控制器基于以下假设开发

假设9非线性系统一号)仍然属于最小级系统 条件集中任意故障即输入 , 并 ,零动态子系统 可保证输入状态稳定

备注10基于假设九九,如果 遇有故障 状态 ,故障信号 ,和设计反馈控制信号 全部闭合而 受界扰动根据输入状态稳定 零动态系统 受界化结合性能分析结果科3.2可推断出 非线性反馈控制信号 受界化

结合假设3信号 自适应故障补偿设计局部反馈线性化系统18号类似全反馈线性系统3.2.细节推导法未实现闭环系统有下列理想控制性能

定理11基于输入状态稳定为零动态九九和等效控制矩阵 不确定故障行全列U自适应控制器45码)及其参数自适应法可实现闭环系统所期望的稳定性3和无药跟踪输出 多重不确定启动器故障(3和未知扰动

证明假设导出器之一时失灵 ,系统在段段内无故障 ,可依据Cection性能分析推导出3.2估计参数 , , ,并 受约束状态报错 异步接近零 趋向无限性广度 可从方程中进一步确认45码),46号),47中文本不适用输入状态稳定性和全排性能估计标准

4级飞机控制系统应用

本节中拟控法应用到飞行器控制系统,以便开发控制算法可全面验证数值模拟结果显示,该方法可有效补偿Gust扰动情况下不确定启动器故障

4.1.扰动流中的飞机动态

飞行动态模型研究参比扰动37号显示纵向非线性动态模型可表示为[38号,三十九万事通 去哪儿 即飞行器速度 攻击角 角投 投球率 即质量 旋转惯性 即投时 , ,并 扰动信号 动压 空气密度 密度翼 平均和弦 并 推送器 , ,并 由提供 去哪儿 并 即两个驱动程序要求故障补偿

4.1.1.状态空间表示

状态变量 , , ,并 表示方式 , , ,并 ,互斥输入变量 , , ,并 表示方式 , , ,并 .非线性系统一号可表示为 去哪儿 , , , , , , , , ,并 . , , , , , , , , , , ,并 已知常量

4.1.2.控制目标

面向飞机控制系统68号有不确定扰动启动器故障,自适应故障补偿控制器旨在确保闭环系统稳定化和系统输出 可跟踪期望控制指令 .依据定理11, , , ,并 .系统满足假设3反馈线性化后没有零动态子系统可获取与故障补偿要求相对应的故障模式如下:

4.1.3数值模拟条件

飞行器参数参考36号详解如下: 千兆赫 , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,并 .扰动由 , ,并 .

模拟验证期间整合下列故障条件:(一) 时间 ,系统无故障 , ;时间 ,启动程序 被卡住 : dg系统 = , ;时间 ,启动程序 返回常态 : , ;时间 ,启动程序 被卡住 : N , .

4.2模拟结果

模拟中自适应控制器参数 系 ,并设计参数如下:(1)初始状态 : (2)扰动模型基函数8初始扰动参数和自适应增益 , ,并 ,分别3级启动器失效模型中的基函数3初始故障参数和自适应增益 , , , , , , , ,并

模拟结果显示在图中一号-3中包括系统实际输出与对应引用信号对比、系统跟踪误差和四位启动器对机系统操作控制输入信号比较

从图中可见一号并2实际操作期间,设计控制算法总能实现系统稳定性和无损跟踪控制目标,而不论正常操作或时间、值或故障模型不确定性图中结果3显示系统期间有外部扰动和无启动器故障 .过程不定跟踪给定指令时 瞬时响应并随时间下降拟控制方法强健性通过结果验证何时驱动器 失败点 并启动程序 失败点 图中显示3模拟结果证明拟议自适应补偿算法对启动器故障和扰动的有效性此外,自适应控制器参数估计 , , , ,并 联想 , , ,并 For 图中显示4-8表示自适应控制系统所有信号都受约束并实现期望性能

5级结论

多变非线性系统多不确定启动器故障和不匹配输入扰动,本文件建议使用自适应故障和扰动补偿控制法,并得出以下主要结论(1) 采用自适应算法建立关系,并基于参数估计搭建一套自适应故障补偿控制器并用加权算法把多控制器装进综合控制器中,解决多不确定启动器故障(2) 在不确定故障条件下,采用新参数设计法获取故障补偿控制器参数自适应法度,从而可保证闭环系统理想性能(3) 拟理论法有效性通过故障和扰动条件下飞行器控件模拟结果验证多变量非线性系统缺陷补偿问题已知参数在本论文中研究(4) 拟方法可进一步扩大解决系统故障补偿问题,参数未知

数据可用性

支持本研究发现的数据(系统参数和模拟参数)包含在文章中

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突

感知感知

支持这项工作的有中国长州科技支持方案CE20195027赠款、江苏大学自然科学基金会18KJB580006赠款中国江苏自然科学基金会BK20170318赠款和中国自然科学基金会61903165赠款