具有預設性能的自適應容錯控制研究及其在水下機器人的應用.pdf

1、近年來，隨著現(xiàn)代科學水平的提高以及人工智能等技術(shù)的發(fā)展，使得控制系統(tǒng)的復雜性也顯著提高，其傳感器、執(zhí)行器以及系統(tǒng)部件發(fā)生故障的概率也大大增加.因執(zhí)行器使用的頻繁性，所以執(zhí)行器故障是最常見的故障之一.為了改進系統(tǒng)的可靠性以及保證系統(tǒng)在執(zhí)行器發(fā)生故障情況下的穩(wěn)定，文獻提出了許多有效的故障容錯控制方法.但是已有成果中，大都考慮系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的研究，而較少關(guān)注瞬態(tài)性能.本文將預設性能控制與容錯控制相結(jié)合，針對幾類帶有執(zhí)行器故障的非線性系統(tǒng)，利用自

2、適應控制、后推控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡等技術(shù)，提出了幾種自適應容錯控制方案.本文的研究內(nèi)容概括如下:
　　第一，針對一類具有執(zhí)行器故障的非線性系統(tǒng)，考慮了系統(tǒng)中含有未建模動態(tài)、執(zhí)行器偏置故障及預設性能要求的情況，將預設性能函數(shù)與非線性容錯控制理論相結(jié)合，提出一種基于預設性能的自適應故障容錯控制方案.該方案引入了一個動態(tài)信號以消除系統(tǒng)的未建模動態(tài)，并通過構(gòu)造性能函數(shù)和誤差轉(zhuǎn)換函數(shù)對跟蹤誤差進行轉(zhuǎn)換.通過理論分析，證明了在容錯控制器的作用下閉

3、環(huán)控制系統(tǒng)的所有信號半全局一致終結(jié)有界.最后，針對自主水下機器人航向控制子系統(tǒng)的仿真結(jié)果，表明了所提方案的有效性.
　　第二，針對一類具有執(zhí)行器不可建模故障的非線性系統(tǒng)，在考慮外界干擾和預設性能要求的情況下，通過引入的轉(zhuǎn)換函數(shù)將初始受約束的跟蹤誤差轉(zhuǎn)變?yōu)闊o約束的信號，進而將初始系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)一致的非線性系統(tǒng)，提出了一種預設性能自適應容錯后推控制方案.該方案能夠使得輸出誤差滿足預先設定的性能標準，同時閉環(huán)系統(tǒng)所有信號半全局一致終結(jié)有

4、界，消除了執(zhí)行器不可建模故障的影響.水下機器人仿真結(jié)果驗證了所設計方案的有效性.
　　第三，針對一類帶有未建模動態(tài)和不可建模故障的非線性系統(tǒng)，提出了一種基于指令濾波和預設性能的自適應容錯控制方案.該方案通過引入Nussbaum函數(shù)解決了系統(tǒng)控制方向未知的問題.該方案將指令濾波器與后推技術(shù)相結(jié)合，避免了對后推設計過程中每一步的虛擬控制信號進行求導，從而使得容錯控制器設計的復雜度大大降低.另外，該方案通過引入預設性能函數(shù)和誤差轉(zhuǎn)化函數(shù)

5、，將原系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)相同的等效系統(tǒng)，從而將預設控制問題轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定性分析問題.通過理論分析，證明了閉環(huán)系統(tǒng)的所有信號是半全局一致終結(jié)有界的，且系統(tǒng)跟蹤誤差滿足預設性能.最后，仿真結(jié)果表明了所設計的控制算法的有效性.
　　第四，研究了一類帶有時變執(zhí)行器故障的非線性系統(tǒng)的自適應主動容錯控制問題.首先，提出一種故障診斷算法，并設計了一個容錯控制方案以保證閉環(huán)系統(tǒng)中的所有信號半全局一致最終有界，避免了控制器的奇異性.該方案首先計算出了故障診