具有执行器随机失效非线性系统的自适应容错控制

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随着人们对系统可靠性和安全性要求的不断提高,容错控制技术受到了越来越多学者的关注。容错控制即当系统中执行器、传感器或者系统其它部件发生故障后,仍能保证系统稳定运行,并使系统的性能指标在一定的范围之内。近年来,学者们在容错控制领域取得了一系列的研究成果。然而已有工作大都考虑有限次执行器故障的情况,即:在某一时刻执行器发生故障后,在接下来的时间该执行器将一直处于故障状态,对于实际系统中存在的间歇性故障,比如:飞行控制系统中的电子设备由于受到外太空的电磁波干扰而出现的短暂故障、控制回路中的通信网络拥塞而导致的故障等,已有的控制策略将不再适用。注意到间歇性故障,即:在某一时刻执行器发生故障后,在另一时刻又可能恢复正常状态,这就意味着执行器可能有无穷多次故障情况发生。同时,执行器发生故障的时间、故障类型以及故障值实质上是未知且随机的。对于这种具有无穷多次执行器随机失效的情况,目前的研究工作还很少。因此,本文研究具有执行器随机失效非线性系统的自适应容错控制问题。首先,针对四类系统,即:具有Markovian向量的确定性系统、同时具有Markovian向量和随机噪声的非线性系统、同时具有Markovian向量和定常时延的非线性系统以及同时具有Markovian向量和时变时延的非线性系统,分别建立了包括联合转移概率、无穷小算子、解的存在唯一性判据、稳定性判定定理在内的一些基础理论。然后引入多个与Markovian变量相关的随机函数来分别描述每个执行器的失效比例因子。随机函数取值在0到1之间且分为三大类情况,并以一定的概率在这三类取值中跳变。随机函数取值的不同即代表执行器所处状态的不同。以此建立的执行器失效模型可以较准确地反映具有间歇性随机故障执行器的工作情况。文中不仅考虑了执行器部分失效和全部失效的情形,同时也考虑了执行器卡死的情形。随后,基于建立的基础结论,分别考虑了确定性系统、随机系统、常时延系统以及时变时延系统的镇定和跟踪控制问题。采用自适应反推方法,分别设计了相应的状态反馈控制器,并通过Lyapunov稳定性理论分析了对应闭环系统所有信号的有界性。同时通过仿真算例验证了所提出执行器失效补偿策略的有效性。此外,文中妥善处理了由于系统中Markovian向量的引入而给无穷小算子带来的跟转移速率相关的附加项以及由于随机系统中的扩散项而导致的高阶Hessian项。文中所设计的自适应容错控制方法,不需要专门的故障检测和诊断模块,而是根据获得的新息对控制律和参数自适应律进行自动调整,以此来补偿执行器失效给系统造成的影响。最后,本文还给出了在未来研究中需要解决的一些问题。
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