故障诊断与容错控制一体化设计及其在飞行器控制中的应用

博博博士士士学学学位位位论论论文文文故障诊断与容错控制一体化设计及其在飞行器控制中的应用INTEGRATEDDESIGNOFFAULTDIAGNOSISANDFAULT-TOLERANTCONTROLANDITSAPPLICATIONTOFLIGHTCONTROL刘刘刘利利利军军军哈哈哈尔尔尔滨滨滨工工工业业业大大大学学学2012年年年11月月月国内图书分类号：TP277国际图书分类号：620学校代码：10213密级：公开工工工学学学博博博士士士学学学位位位论论论文文文故障诊断与容错控制一体化设计及其在飞行器控制中的应用博士研究生：刘利军导师：沈毅教授联合导师：EarlH.Dowell教授申请学位：工学博士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2012年11月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP277U.D.C:620DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringINTEGRATEDDESIGNOFFAULTDIAGNOSISANDFAULT-TOLERANTCONTROLANDITSAPPLICATIONTOFLIGHTCONTROLCandidate:LiuLijunSupervisor:Prof.ShenYiCoSupervisor:Prof.EarlH.DowellAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:ControlScienceandEngineeringAliation:SchoolofAstronauticsDateofDefence:November,2012Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要容错控制系统设计是近几十年来国内外学术界和工业界的热点研究课题之一。随着系统复杂度的提高以及人们对控制系统安全性和可靠性日益高涨的要求，设计具有容错能力的控制系统使得当系统局部发生故障后仍能保证整个系统具有持续的安全性和可接受的操作性，变得越来越重要。在当前容错控制的研究中，主动容错控制方法具有很多优点，例如容错能力强、控制性能好、适应范围广、成本低、无需增加硬件、易改进维护、可复制性强等。但是主动容错控制方法设计难度大，不成熟，仍然面临着许多问题。因此，对控制系统主动容错控制方法的研究具有重大意义。本论文从主动容错控制的两大类方法入手，深入的研究了离线设计容错控制器以及在线优化选择容错控制器的策略，系统的研究了故障诊断与容错控制一体化设计方法，并且将所提出的方法应用于飞行器容错控制设计。论文的主要研究内容和创新成果如下：第一，研究了H∞容错控制设计以及在线优化选择H∞容错控制器的策略。将执行器故障建模为三种状态：正常、效率下降和失效，以此为基础设计了H∞容错控制器，建立了故障模型集合和容错控制器集合之间的多对多可容错控制映射关系，设计了七种方法用来缩小待选容错控制器集合以及多对多可容错控制映射关系的复杂度，提出了五种在线优化选择容错控制器策略以满足不同的设计需求，并且考虑当故障诊断可能存在错误时，提出了一种基于错误故障诊断概率的选择策略和一种预选策略来提高可靠性。第二，研究了故障诊断与自适应H∞状态反馈容错控制一体化设计方法。设计了未知输入观测器解耦故障观测器中外界干扰和执行器故障，进而设计了带射影限制的自适应故障参数跟踪律实现故障诊断，利用故障估计参数，设计了自适应H∞状态反馈容错控制器，根据故障估计参数的变化自适应在线重构控制器实现容错控制，并且保证系统的稳定性和H∞鲁棒性，给出了容错控制器的求解方法。第三，研究了故障诊断与自适应H∞动态输出反馈容错控制一体化设计方法。设计了改进的未知输入观测器，既将故障观测器中外界干扰和执行器故障解耦，又保证了所有的执行器故障都可以被检测和诊断，进而设计了带射影限制的自适应估计器跟踪故障参数，利用估计得到的故障参数，设计了自适应H∞动态输出反馈容错控制器使系统稳定且满足自适应H∞增益限制，-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文将求解容错控制器的非线性矩阵不等式转化为可解的线性矩阵不等式，并且给出了一体化设计的实施方案。第四，研究了故障诊断与自适应鲁棒H∞容错控制一体化设计方法。提出了在原系统的基础上构造执行器自检测动态系统，进一步改进了未知输入观察器，不仅使得故障观测器中外界干扰与执行器故障解耦，而且全面解耦了各执行器故障之间的耦合，并给出了此未知输入观测器存在的充分必要条件，设计了带射影限制的梯度自适应故障参数跟踪律，对故障参数和跟踪误差的边界进行估计，利用故障估计参数和跟踪误差的边界，设计了自适应鲁棒H∞容错控制器，保证了系统的稳定性和当故障估计参数剧烈变化时容错控制的鲁棒性，给出了容错控制器的求解方法以及一体化设计的实施方案。本论文提出的方法分别应用于简化的F-18战斗机纵向运动模型的在线选择容错控制和一体化设计容错控制、垂直起降直升机线性化纵向运动模型的一体化设计容错控制以及F-16战斗机模型的一体化设计容错控制，仿真验证了这些方法的有效性。关键词：主动容错控制；故障检测与诊断；飞行器控制；在线选择控制器；未知输入观测器-II-AbstractAbstractInrecentdecades,designofafault-tolerantcontrolsystemisoneofthehottestre-searchtopicsinthedomesticandforeignresearchinstitutionsandindustries.Withtheincreasingcomplexityofsystemandthegrowingrequirementsofsecurityandreliabil-ityofthecontrolsystem,thedesignoffault-tolerantcontrolsystembecomesmoreandmoreimportanttomakethewholesystemhavethepersistentsafetyandtheacceptableoperationaftersomepartsofsystemfailing.Amongthecurrentmethodsofthefault-tolerantcontrol,theactivefault-tolerantcontrolapproachhasmanyadvantages,suchashighfault-tolerantability,goodcontrolperformance,widerangeofadaptabilityandap-plications,lowcost,noadditionalhardware,easymaintenanceandimprovement,andstrongabilityofreproduction.Buttheactivefault-tolerantcontrolmethodisverydiculttodesignandstillfacesmanyproblems.Therefore,thedesignoftheactivefault-tolerantcontrolsystemisofgreatsignificance.Thisdissertation,startingfrombothapproachesoftheactivefault-tolerantcontrol,makesadeepstudyontheo-linedesignoffault-tolerantcontrollerandtheonlineoptimalselectionoffault-tolerantcontrollers,givesasystemicstudyontheintegrateddesignoffaultdiagnosisandfault-tolerantcontrol,andappliestheproposedmethodsintothefault-tolerantflightcontrol.Themaincontentsandinnovationsofthisdissertationcanbesummarizedasfollows:Firstofall,thedesignoffault-tolerantH∞controllerandonlineoptimizationstrate-gytoselectaproperfault-tolerantcontrollerisstudied.Theactuatorfaultismodeledintothreestates:normal,lossofeectivenessandoutage.Thenthefault-tolerantH∞controlisdesignedbasedonthisactuatorfaultmodel.Amany-to-manyrecoverablemappingisestablishedbetweenthefaultmodelsetandthefault-tolerantcontrollerset.Inordertoshrinkthesetofallfault-tolerantH∞controllersandmappings,sevenmethodsarepre-sentedtoconstructasmallsetofcontrollersfordierentdemands.Thenfiveselectionschemesareproposedtochooseapropercontrollerfromagivensetofcontrollersforagivenfaultmodel.Anotherselectionschemebasedontheprobabilityoffalsefaultdiag-nosisandapre-selectionschemearepresentedtoenforcethereliabilitywhentheremightbefalsefaultdetectionanddiagnosis.Secondly,theintegrateddesignoffaultdiagnosisandadaptivefault-tolerantH∞statefeedbackcontrolisstudied.Anunknowninputobserverisdesignedtodecouple-III-哈尔滨工业大学工学博士学位论文externaldisturbanceandactuatorfaultsinthefaultobserver.Thenanadaptivelawwithprojectionisoeredtoestimatetheactuatorfaultparameters.Theadaptivefault-tolerantH∞controlisproposedbyutilizingtheestimatedfaultparameters.ThiscontrollercanaccommodateactuatorfaultsadaptivelyandensurethestabilityandH∞performanceofsystem.Andaniterativesolutionisputforwardtoobtainthefault-tolerantcontroller.Thirdly,theintegrateddesignoffaultdiagnosisandadaptivefault-tolerantH∞dy-namicoutputfeedbackcontrolisstudied.Theimprovedunknowninputobservernotonlydecouplesexternaldisturbanceandact