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文利燕, 陶钢, 姜斌, 杨杰. 非线性动态突变系统的多模型自适应执行器故障补偿设计. 自动化学报, 2022, 48(1): 207−222

(Wen Li-Yan, Tao Gang, Jiang Bin, Yang Jie. A multiple-model based adaptive actuator failure compensation scheme for nonlinear systems with dynamic mutations. Acta Automatica Sinica, 2022, 48(1): 207−222)

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c200318?viewType=HTML

“动态突变”是指系统在发生元部件故障、结构损伤、环境变化等条件下, 导致系统动态特性发生改变的动态函数或结构的大范围不确定变化. 典型的系统动态突变包括: 系统的关联矩阵(相对阶)结构发生不确定变化, 零动态稳定性发生不确定变化, 系统动态函数发生不确定变化等.

随着科学技术的发展与进步, 性能关键的新型应用系统相继而出, 如: 航空器、航天器及智能电网系统等. 由于新型应用系统自身结构特性及其复杂的工作环境, 其系统动力学模型具有多变量、强耦合、快时变、强非线性等特点. 特别地, 当系统元部件发生故障时, 系统会出现大幅度参数或结构不确定, 进而引起系统动态特性突变. 若控制器无法有效应对系统的动态突变, 则会导致系统性能下降,甚至不稳定, 从而引发安全事故. 例如: 1986 年, 大力神火箭因推进器破裂而发生爆炸; 1989 年, 联合航空232 号航班因机件失灵致 “苏城空难”等. 因此, 如何增强控制系统有效处理动态突变的能力,以提高系统的安全性能尤为重要.

目前, 为了提高实际系统的安全性和可靠性,在系统容错控制领域出现了诸多研究成果。然而, 当系统参数或结构出现大幅度不确定变化而导致系统动态突变时, 仍难以快速精确地实现系统的可靠控制。为此,仍需要研究更加有效的容错控制方法, 以有效应对因控制系统结构和参数的不确定性而导致系统动态突变的问题, 从而提高系统应对突变的能力, 同时实现更快更准确的输出跟踪.

此外, 为了处理系统多重大不确定故障问题, 如: 执行器故障、结构性损伤故障以及传感器故障, 已取得了一些初步的研究成果, 包括多模型自适应控制、多设计融合控制等. 然而与现有成果不同, 本文针对一般的不确定非线性系统, 考虑系统因发生多重不确定执行器故障(故障发生的时间、故障值、发生故障的执行器数量及哪一个执行器发生故障均不确定) 而引起不确定的系统动态突变问题时, 如何设计一种自适应补偿控制策略, 以提高系统应对动态突变的能力, 同时实现快速准确的不确定执行器故障补偿和期望的渐近输出跟踪.

本文主要创新点和贡献点为：

1) 针对因多重不确定执行器故障而引发系统动态突变的非线性系统, 采用基于多模型切换的控制策略, 设计了一种自适应执行器故障补偿控制方案, 其不仅可以应对系统动态突变, 而且可实现快速准确的执行器故障补偿和输出跟踪.

2) 所考虑的多重不确定执行器故障是指系统运行中执行器故障发生的时间、故障值、发生故障的执行器数量及哪一个执行器发生故障都是未知的. 为此, 将常规自适应控制与 “多模型”、 “控制切换”相结合, 设计一种基于多模型切换的自适应控制算法, 其不仅可解决执行器故障值的不确定性问题, 而且可有效解决执行器故障模式的不确定性问题, 从而大幅度提高了非线性系统的快速精确故障补偿和输出跟踪的能力.

3) 将基于多模型切换的自适应控制算法用于解决非线性系统中发生有限数目多重不确定执行器故障模式和无限数目多重不确定执行器故障模式(持续间歇性执行器故障) 的补偿问题; 进而分析了两种情况下非线性闭环自适应控制系统的稳定性和渐近输出跟踪性能.

作者简介

文利燕

南京航空航天大学副教授. 2016 年获得南京航空航天大学工学博士学位. 主要研究方向为自适应控制, 故障诊断与容错控制及其应用. 本文通信作者.

E-mail: [email protected]

陶　钢

美国弗吉尼亚大学教授. 主要研究方向为自适应控制及应用.

E-mail: [email protected]

姜  斌

南京航空航天大学自动化学院教授. 主要研究方向为故障诊断与容错控制及应用.

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杨　杰

南京航空航天大学自动化学院硕士研究生. 主要研究方向为自适应控制及应用.

E-mail: [email protected]