含执行器死区/滞环非线性系统的模糊自适应容错控制

Dead-zone and Hysteresis exist in a wide range of physical actuators. Control of such a system is typically challenging in the presence of actuator dead-zone/hysteresis, actuator failures via output feedback. They severely limit system performance, even lead to instability. This project focuses on fuzzy adaptive fault-tolerant control for nonlinear systems with actuator dead-zone/hysteresis via output feedback. The main research issues are as follows: The system can be transformed into a new system that does not contain actuator fault and actuator dead-zone/hysteresis explicitly. For the new system, fuzzy logic systems are employed to approximate the unknown nonlinear functions and fuzzy adaptive observer can be constructed by the implicit function theorem. Based on the observer, fuzzy adaptive fault-tolerant controller and the parameters updating law are proposed by the backstepping method. The Lyapunov theory is used to prove the stability of closed-loop system while tracking errors converge to zero by Barbalat lemma. The proposed fuzzy adaptive fault-tolerant controller are applied to some real systems and simulation results are presented to show the effectiveness of the proposed method. This project improves the traditional fuzzy adaptive observer and enlarges the research fields of fuzzy adaptive fault tolerant control, which makes the project has the theoretical value and practical meaning.

执行器死区/滞环特性往往会恶化控制系统性能甚至导致系统不稳定，同时含执行器死区/滞环和执行器故障非线性系统的输出反馈容错控制问题极具挑战性，亟待寻求新思路新理论予以突破。为此本项目确立的研究内容有：利用模型变换技术将含有执行器故障、死区/滞环特性的系统转换成不显含故障信息、执行器死区/滞环的新系统；针对新系统应用模糊逻辑系统逼近未知非线性函数，根据隐函数定理构造模糊自适应状态观测器，并藉此建立系统模糊自适应容错控制器和设计未知参数自适应变化率；应用Lyapunov稳定理论和Barbalat引理证明闭环系统稳定性和误差收敛性；研究所提出的模糊自适应容错控制算法在工程实际中应用，以验证该方法的有效性。本项目对于改进现有状态观测器、拓宽模糊自适应容错控制研究领域，具有重要理论价值和实际意义。

执行器死区/滞环将会使得控制系统性能下降甚至不稳定。同时含执行器死区/滞环和执行器故障非线性系统的输出反馈容错控制问题极具挑战性。本项目利用模型变换技术将含有执行器故障、死区/滞环特性的系统转换成不显含故障信息、执行器死区/滞环信息的新系统；针对新系统应用模糊逻辑系统、傅里叶变换、泰勒展开处理未知不确定函数；根据隐函数定理构造模糊自适应状态观测器；藉此建立系统模糊自适应容错控制器。本项目改进了状态观测器、拓宽了自适应容错控制研究领域，取得了以下有意义的成果。.1)针对一类非线性系统，提出一种高增益自适应K-filters并融入了模糊逻辑方法；设计一种系统的模糊自适应容错控制器方案。.2)针对一类含执行器滞环特性的一类不确定性非线性系统，提出滞环特性的数学建模方法；提出模糊K-filters滤波器，构造系统观测器；基于输出反馈控制，设计系统观测器设计方法和自适应容错控制器设计方案。.3)针对一类三角结构不确定项的非线性系统，在考虑执行器死区/滞环特性的情形下，利用提出改进的模糊K-Filters滤波器构造观测器；基于此设计系统的模糊自适应容错控制方案。.4) 针对一类非三角结构不确定项的非线性系统，在考虑执行器死区/滞环特性的情形下；采用泰勒级数处理未知非线性函数和执行器非线性，首次提出模糊区间观测器的设计方法，完善了模糊状态观测器设计方法；提出系统模糊自适应容错控制方案。.5) 针对一类非三角结构不确定项的非线性系统，在考虑执行器死区/滞环特性的情形下；采用傅里叶级数分解的方法处理未知非线性函数和执行器非线性，融合模糊区间观测器的设计方法，完善了模糊状态观测器设计方法；提出系统模糊自适应容错控制方案。.6）针对具有未知执行器的不可建模故障的非线性系统，利用隐函数定理等代数和泰勒级数、傅里叶分解及模糊逻辑系统处理系统不确定项，并挖掘模糊逻辑系统基的有关特性，设计相应的模糊自适应容错控制器。