多模式容错控制方法理论及其应用研究

A control methodology that can accommodate system fault automatically while guaranteeing system stability along with a desired performance is denoted as fault-tolerant control (FTC). Considering the shortcomings of the existing FTC methods and the influence of network structure constraints, a multi-mode fault tolerant control algorithm is given, which includes hybrid mode FTC and hierarchical mode FTC. The hybrid mode FTC can be used for system with one failure or more, whereas the hierarchical mode FTC is suitable for the different fault degree. During the time of fault diagnosis, the influence of failure to the whole system is reduced when the hybrid mode FTC is adopted. Meanwhile, the controller can be redesigned and it has less conservatism than the existing FTC approach if more than one failure appear in the system. The robust residual generator is reconstructed together with control signal to reduce the false alarm rate of system failure. In the hierarchical mode FTC approach, the controller is switched according to the system failure degree, thus it takes less on-line computational time and the methodology can be used for the fast system. Finally, the theory of multi-mode FTC is adopted to control a kind of bilateral teleoperation system to show the effectiveness of the proposed method and the project will be of great value to theory and applications.

容错控制可以保证控制系统在元器件发生故障时的安全性、稳定性和一些基本性能。考虑到现有容错控制方法的不足之处，引入网络结构约束的影响，提出一种多模式容错控制方法，该方法包括混合模式容错控制器和分级模式容错控制器。其中，混合模式容错控制器适用于系统中存在不同类型的故障而分级模式容错控制器则是针对系统故障程度加深的情况。混合模式容错控制器的引入能够削弱故障诊断时间内故障本身对系统性能的影响，同时根据故障信息修正控制器参数及结构，减小了控制器设计的保守性；鲁棒残差产生器的构造削弱了控制信号对其的干扰，降低系统故障的误报率；分级模式容错控制方法使得控制器根据故障等级而切换，无需大量实时计算，缩减了控制器增益的整体在线计算时间，使算法适于快变系统。针对以上理论研究结果，以双边遥操作系统为应用对象，实现多模式容错控制方法验证，该项目具有重要的理论和应用价值。

在双边遥操作系统中，由于网络的引入，使得主、从系统的信息交互不可避免地存在时滞、丢包等问题，同时，在设备的使用过程中，各类系统故障会进一步降低传统控制器的控制效果。由于遥操作系统常常处于无法直接维修的环境之中，因此，如何在合理有效地抑制网络对系统影响的基础上，设计相应的容错控制器，使之适用于特定的工作场所具有重要的理论意义和实际应用价值。因此，针对由于网络而引入的时滞及丢包问题，分析了随机干扰情况下时滞神经网络系统的渐近稳定性，研究了无线网络控制系统的H无穷控制器设计问题；由于主、从系统通过不同的网络通道传输信息，故而存在多时滞问题，因此，研究分析了在多时滞情况下系统的指数均方稳定性及镇定性问题；研究了在包含分布时滞和离散时滞的混合时滞情况下随机系统的指数均方稳定性问题。针对可能存在的执行器故障，研究了同步控制器的设计问题，使得从系统在故障情况下仍然可以有效地跟踪主系统的运动轨迹；由于网络带宽的约束影响，研究了基于触发机制的分级容错控制器，使之适用于一类非线性网络化控制系统；考虑到双边遥操作系统中的故障问题，研究了基于模糊干扰观测器的容错控制器设计方法，有效地实现了双边遥操作系统的控制。经过三年的研究，本项目共发表SCI论文8篇、会议论文4篇、核心期刊论文1篇，录用SCI刊源论文2篇，参加学术会议4人次，培养研究生5人，其中，毕业1人，在读4人。