本書主要基於自適應技術來研究連續時間系統的主動容錯控制方法，所涉及的系統元件故障包括執行器和感測器的中斷、部分失效、偏移和非參數化時變卡死故障，以及關聯連結的信號衰減、惡化等網路關聯連結故障。提出了多種直接、間接和切換組合的自適應方法設計故障補償控制器，保證了系統正常和故障情況下的穩定性，並最佳化了系統性能。所提出的方法適用於連續時不變線性系統、不確定系統、非脆弱系統，以及分散式控制系統、複雜網路和多智慧型體系統的容錯控制設計，並且能推廣套用於非線性系統、時滯系統和隨機系統等多類系統。本書適合控制理論與控制工程，導航、制導與控制以及相關專業的科研人員，工程師和在讀碩博研究生的閱讀參考。
基本介紹
- 書名：主動容錯控制理論:自適應方法
- 作者：金小崢 原忠虎
- 出版日期：2014年1月1日
- 語種：簡體中文
- ISBN：7121220571
- 外文名：Active Fault-Tolerant Control Theory-Adaptive Methods
- 出版社：電子工業出版社
- 頁數：224頁
- 開本：16
- 品牌：電子工業出版社
基本介紹,內容簡介,作者簡介,圖書目錄,序言,
基本介紹
內容簡介
《主動容錯控制理論:自適應方法》適合控制理論與控制工程，導航、制導與控制以及相關專業的科研人員，工程師和在讀碩博研究生的閱讀參考。
作者簡介
瀋陽大學,主要從事容錯控制、動態複雜網路同步控制等方面的研究。
圖書目錄
第1章緒論
1.1容錯控制系統概述
1.1.1背景
1.1.2動機
1.1.3發展概況及分類
1.2被動容錯控制
1.3主動容錯控制
1.3.1基於FDI技術的主動容錯控制
1.3.2基於自適應技術的主動容錯控制
1.4容錯控制研究的熱點與難點問題
1.5本書的研究範圍
第2章線性系統自適應容錯控制
2.1執行器故障下容錯控制系統描述
2.2間接自適應容錯控制器設計
2.3直接自適應容錯控制系統設計
2.3.1切換自適應控制增益方程
2.3.2自適應控制增益方程
2.4數值仿真算例
2.4.1飛控系統仿真算例
2.4.2火箭整流罩模型仿真算例
第3章不確定系統自適應容錯控制
3.1不確定性容錯控制系統描述
3.2直接自適應非脆弱容錯控制器設計
3.3一類特殊執行器故障下自適應容錯控制
3.4不確定火箭整流罩模型仿真算例
3.4.1直接自適應方法套用
3.4.2間接自適應方法套用
第4章自適應容錯H∞控制
4.1容錯H∞控制系統描述
4.2狀態反饋情況
4.2.1H∞補償跟蹤控制器設計
4.2.2飛行器系統狀態反饋仿真算例
4.3動態輸出反饋情況
4.3.1ε穩定控制器設計
4.3.2飛行器系統動態輸出反饋仿真算例
第5章線性系統容錯H∞非敏感濾波
5.1容錯H∞濾波系統描述
5.2非敏感可靠H∞濾波系統設計
5.3F404發動機系統數值仿真
第6章關聯部件故障自適應容錯控制
6.1分散式控制系統連結失效容錯控制
6.1.1關聯部件故障描述
6.1.2分散式自適應跟蹤控制系統設計
6.1.3分散式系統仿真算例
6.2動態混沌系統自適應滑模容錯控制
6.2.1非線性耦合混沌系統
6.2.2滑模FTC設計下的自適應同步
6.2.3一類一致混沌系統仿真
第7章分散式系統自適應容錯控制
7.1分散式系統容錯問題描述
7.2分散式系統間接自適應容錯控制
7.2.1間接自適應控制器設計
7.2.2分散式控制策略仿真算例
7.3分散式系統組合自適應容錯控制
7.3.1組合自適應控制器設計
7.3.2質量彈簧系統仿真算例
第8章複雜系統分散式自適應容錯跟蹤控制
8.1分散式系統模型參考容錯跟蹤控制
8.1.1分散式容錯跟蹤控制問題描述
8.1.2分散式直接自適應魯棒跟蹤控制系統設計
8.1.3組合大系統仿真算例
8.2主從大系統分散式容錯同步控制
8.2.1主從大系統容錯問題
8.2.2主從大系統容錯控制系統設計
8.2.3複雜小車系統仿真算例
8.3多智慧型體容錯滑模跟蹤控制
8.3.1多智慧型體系統容錯控制問題描述
8.3.2容錯滑模跟蹤控制器設計
8.3.3多智慧型體系統仿真算例
參考文獻
1.1容錯控制系統概述
1.1.1背景
1.1.2動機
1.1.3發展概況及分類
1.2被動容錯控制
1.3主動容錯控制
1.3.1基於FDI技術的主動容錯控制
1.3.2基於自適應技術的主動容錯控制
1.4容錯控制研究的熱點與難點問題
1.5本書的研究範圍
第2章線性系統自適應容錯控制
2.1執行器故障下容錯控制系統描述
2.2間接自適應容錯控制器設計
2.3直接自適應容錯控制系統設計
2.3.1切換自適應控制增益方程
2.3.2自適應控制增益方程
2.4數值仿真算例
2.4.1飛控系統仿真算例
2.4.2火箭整流罩模型仿真算例
第3章不確定系統自適應容錯控制
3.1不確定性容錯控制系統描述
3.2直接自適應非脆弱容錯控制器設計
3.3一類特殊執行器故障下自適應容錯控制
3.4不確定火箭整流罩模型仿真算例
3.4.1直接自適應方法套用
3.4.2間接自適應方法套用
第4章自適應容錯H∞控制
4.1容錯H∞控制系統描述
4.2狀態反饋情況
4.2.1H∞補償跟蹤控制器設計
4.2.2飛行器系統狀態反饋仿真算例
4.3動態輸出反饋情況
4.3.1ε穩定控制器設計
4.3.2飛行器系統動態輸出反饋仿真算例
第5章線性系統容錯H∞非敏感濾波
5.1容錯H∞濾波系統描述
5.2非敏感可靠H∞濾波系統設計
5.3F404發動機系統數值仿真
第6章關聯部件故障自適應容錯控制
6.1分散式控制系統連結失效容錯控制
6.1.1關聯部件故障描述
6.1.2分散式自適應跟蹤控制系統設計
6.1.3分散式系統仿真算例
6.2動態混沌系統自適應滑模容錯控制
6.2.1非線性耦合混沌系統
6.2.2滑模FTC設計下的自適應同步
6.2.3一類一致混沌系統仿真
第7章分散式系統自適應容錯控制
7.1分散式系統容錯問題描述
7.2分散式系統間接自適應容錯控制
7.2.1間接自適應控制器設計
7.2.2分散式控制策略仿真算例
7.3分散式系統組合自適應容錯控制
7.3.1組合自適應控制器設計
7.3.2質量彈簧系統仿真算例
第8章複雜系統分散式自適應容錯跟蹤控制
8.1分散式系統模型參考容錯跟蹤控制
8.1.1分散式容錯跟蹤控制問題描述
8.1.2分散式直接自適應魯棒跟蹤控制系統設計
8.1.3組合大系統仿真算例
8.2主從大系統分散式容錯同步控制
8.2.1主從大系統容錯問題
8.2.2主從大系統容錯控制系統設計
8.2.3複雜小車系統仿真算例
8.3多智慧型體容錯滑模跟蹤控制
8.3.1多智慧型體系統容錯控制問題描述
8.3.2容錯滑模跟蹤控制器設計
8.3.3多智慧型體系統仿真算例
參考文獻
序言
前言
隨著科技的發展和人類各方面需求的不斷提高，人們對控制系統運行的效率、精度、時間和強度要求越來越高。為了實現系統運行的高效性和多套用性，系統結構的設計越來越精妙和細緻。而這帶來的是複雜且繁多的系統元件組合，執行器、感測器和連線部件在空間上大量分布和套用。為了保證系統在長時間高強度運行下的精度和安全可靠性，容錯控制策略的構造就成為複雜工程系統設計的重要部分。
容錯控制系統的特點表現在當系統執行器、感測器、控制器、對象本身等系統各類組成元件發生故障時，系統的安全運行仍然得到保障並能保持滿意性能。一方面，執行器和感測器作為系統運行驅動元件及信息獲取和傳送元件，故障的發生和解決已經得到人們的極大關注；另一方面，隨著工業製造的複雜化和生產目標的多元化，各個子系統通過網路或關聯連結互相傳遞信息，對關聯連結安全可靠性的研究也隨之進入容錯控制領域。容錯控制系統的研究也面臨著新的挑戰。
從20世紀70年代系統完整性被提出以來，容錯控制的發展已經歷了四十多年。在其理論研究中，容錯控制系統設計方法分為基於魯棒控制技術的被動容錯控制方法和基於故障補償技術的主動容錯控制方法。兩者重點描述容錯控制系統的全局特徵和實時動態特徵。現有的針對預判故障的傳統被動容錯設計方法在維數較低、故障源較少的簡單控制系統中有較好的套用。其具體的套用實例可以在液位系統、倒立擺系統、質量-彈簧-阻尼系統，以及經過解耦降維的飛控系統上實現。但對於系統維數高且故障源較多的結構複雜系統，被動容錯方法設計的容錯控制策略較為保守，並不能保證系統在合理性能下運行，甚至會由於遺漏可能發生的故障模式而計算得到錯誤控制策略，導致系統發生故障時崩潰。更需要指出的是，被動容錯控制方法僅僅對有限的故障模型，如中斷、部分失效等有較好效果，它並不具備補償嚴重故障（如偏移、卡死等故障）的能力。因此，不需要預判故障，而通過線上調節控制器參數或重構控制器的主動容錯控制就成為人們重點研究的方法。
主動容錯控制中基於故障檢測與分離（FDI）技術的控制方法和基於自適應技術的控制方法是研究最為廣泛的方法。其中基於FDI方法的容錯控制策略由於其高效性和較高的套用價值，近年來備受學者的青睞。它的設計依賴於故障診斷機構的診斷結果，其更為重要的意義在於設計故障診斷機構正確及時地診斷出故障信號。因此，在這類主動容錯控制中，控制器的重組（Reconstruction）或重構（Reconfiguration）需要FDI子系統提供精確及時的故障信息，從而構造有效的容錯控制策略。但故障診斷機構的診斷會受到外部擾動、時滯、系統模型不精確性及其他環境因素的影響，給出不夠精確甚至錯誤的故障診斷信號。顯然，套用誤診的故障信號重組或重構容錯策略控制系統會給系統帶來災難性的破壞。所以，另一類不需要精確故障信息的主動容錯控制方法——自適應方法迅速成為學者們研究的熱點。自適應技術可以獲取未知參數每個時刻的估計信息，且控制增益可以回響參數的變化而實時變化。根據此特點，在故障未知的情況下，利用自適應技術估計故障信號代替故障診斷機構的診斷信號，再套用估計信號作為間接信號輔助構造容錯控制策略。因此，與基於FDI技術的容錯控制方法不同，基於自適應技術的容錯控制策略不需要估計準確的故障信息，對容錯控制系統也更能保證它的可靠性。
本書主要考慮基於自適應技術的主動容錯控制方法。所涉及的系統元件故障包括執行器、感測器和關聯連結的故障，而故障類型則有中斷、部分失效、偏移和非參數化卡死執行器和感測器故障，以及信號衰減、惡化等網路關聯連結故障。本書所包含的系統不僅有連續時不變線性系統和不確定系統，還有分散式控制系統、複雜網路和多智慧型體系統，所提出的方法也能推廣到非線性系統、時滯系統和隨機系統等。所提出的自適應方法對故障有極強的補償能力和魯棒性，但本書中的方法也不是完美的容錯控制方法，也存在著一些缺點，如計算負擔較重，系統得不到解析解，特別是對實際工業的套用還需要進一步改進。因此，作者希望本書能起到拋磚引玉的作用，給學者們提供一個別樣的思維平台，並期待學者們能提出更好的、更有套用價值的容錯控制方案，進一步提高系統運行的安全性、可靠性和運行效率。
由於時間較為倉促，書中難免有不妥之處，希望各位讀者見諒並不吝指正！
金小崢
2013年9月於瀋陽
隨著科技的發展和人類各方面需求的不斷提高，人們對控制系統運行的效率、精度、時間和強度要求越來越高。為了實現系統運行的高效性和多套用性，系統結構的設計越來越精妙和細緻。而這帶來的是複雜且繁多的系統元件組合，執行器、感測器和連線部件在空間上大量分布和套用。為了保證系統在長時間高強度運行下的精度和安全可靠性，容錯控制策略的構造就成為複雜工程系統設計的重要部分。
容錯控制系統的特點表現在當系統執行器、感測器、控制器、對象本身等系統各類組成元件發生故障時，系統的安全運行仍然得到保障並能保持滿意性能。一方面，執行器和感測器作為系統運行驅動元件及信息獲取和傳送元件，故障的發生和解決已經得到人們的極大關注；另一方面，隨著工業製造的複雜化和生產目標的多元化，各個子系統通過網路或關聯連結互相傳遞信息，對關聯連結安全可靠性的研究也隨之進入容錯控制領域。容錯控制系統的研究也面臨著新的挑戰。
從20世紀70年代系統完整性被提出以來，容錯控制的發展已經歷了四十多年。在其理論研究中，容錯控制系統設計方法分為基於魯棒控制技術的被動容錯控制方法和基於故障補償技術的主動容錯控制方法。兩者重點描述容錯控制系統的全局特徵和實時動態特徵。現有的針對預判故障的傳統被動容錯設計方法在維數較低、故障源較少的簡單控制系統中有較好的套用。其具體的套用實例可以在液位系統、倒立擺系統、質量-彈簧-阻尼系統，以及經過解耦降維的飛控系統上實現。但對於系統維數高且故障源較多的結構複雜系統，被動容錯方法設計的容錯控制策略較為保守，並不能保證系統在合理性能下運行，甚至會由於遺漏可能發生的故障模式而計算得到錯誤控制策略，導致系統發生故障時崩潰。更需要指出的是，被動容錯控制方法僅僅對有限的故障模型，如中斷、部分失效等有較好效果，它並不具備補償嚴重故障（如偏移、卡死等故障）的能力。因此，不需要預判故障，而通過線上調節控制器參數或重構控制器的主動容錯控制就成為人們重點研究的方法。
主動容錯控制中基於故障檢測與分離（FDI）技術的控制方法和基於自適應技術的控制方法是研究最為廣泛的方法。其中基於FDI方法的容錯控制策略由於其高效性和較高的套用價值，近年來備受學者的青睞。它的設計依賴於故障診斷機構的診斷結果，其更為重要的意義在於設計故障診斷機構正確及時地診斷出故障信號。因此，在這類主動容錯控制中，控制器的重組（Reconstruction）或重構（Reconfiguration）需要FDI子系統提供精確及時的故障信息，從而構造有效的容錯控制策略。但故障診斷機構的診斷會受到外部擾動、時滯、系統模型不精確性及其他環境因素的影響，給出不夠精確甚至錯誤的故障診斷信號。顯然，套用誤診的故障信號重組或重構容錯策略控制系統會給系統帶來災難性的破壞。所以，另一類不需要精確故障信息的主動容錯控制方法——自適應方法迅速成為學者們研究的熱點。自適應技術可以獲取未知參數每個時刻的估計信息，且控制增益可以回響參數的變化而實時變化。根據此特點，在故障未知的情況下，利用自適應技術估計故障信號代替故障診斷機構的診斷信號，再套用估計信號作為間接信號輔助構造容錯控制策略。因此，與基於FDI技術的容錯控制方法不同，基於自適應技術的容錯控制策略不需要估計準確的故障信息，對容錯控制系統也更能保證它的可靠性。
本書主要考慮基於自適應技術的主動容錯控制方法。所涉及的系統元件故障包括執行器、感測器和關聯連結的故障，而故障類型則有中斷、部分失效、偏移和非參數化卡死執行器和感測器故障，以及信號衰減、惡化等網路關聯連結故障。本書所包含的系統不僅有連續時不變線性系統和不確定系統，還有分散式控制系統、複雜網路和多智慧型體系統，所提出的方法也能推廣到非線性系統、時滯系統和隨機系統等。所提出的自適應方法對故障有極強的補償能力和魯棒性，但本書中的方法也不是完美的容錯控制方法，也存在著一些缺點，如計算負擔較重，系統得不到解析解，特別是對實際工業的套用還需要進一步改進。因此，作者希望本書能起到拋磚引玉的作用，給學者們提供一個別樣的思維平台，並期待學者們能提出更好的、更有套用價值的容錯控制方案，進一步提高系統運行的安全性、可靠性和運行效率。
由於時間較為倉促，書中難免有不妥之處，希望各位讀者見諒並不吝指正！
金小崢
2013年9月於瀋陽
