具有预设性能的非线性系统自适应鲁棒容错控制理论与方法研究

The problem of fault-tolerant control for nonlinear systems is a research hotspot, but most of the research results are based on the stability of the systems. The practical engineering systems are desired to maintain multiple performances besides stability, but the problem has not been resolved now. In the project the fault-tolerant control theories and methods for nonlinear systems are developped on the basis of nonlinear system theory using the previous research. The main idea is to present adaptive fault-tolerant robust control for a general nonlinear system with prescribed performance based on adaptive control, robust control, and neural network technology. The objective is to compensate the influence of fault on system performance and ensure that the tracking error converges to an arbitrarily predefined small residual set. That is, the convergence speed, maximum overshoot, and robust disturbance attenuation performance are guarranteed to the predefined requirements. The project is an intersecting subject of nonlinear systems, fault detection and diagnosis, and adaptive control, and so on. The research methods and ideas are prospective and applicable.

非线性控制系统容错控制问题是目前研究热点，但大部分研究成果都是基于稳定性的容错。实际工程系统在故障发生前后要求维持的性能往往是多方面的，即在满足稳定性的同时还应具有其它品质要求，这一问题到目前未得到很好解决。本项目以非线性系统理论为基础，在前期容错控制算法的研究基础上，建立非线性系统预设性能容错控制理论与方法。主要思路是针对具有一般形式的非线性系统，基于自适应控制、鲁棒控制和神经网络技术等，将预设性能概念与容错控制相结合，提出一种具有预设性能的自适应鲁棒容错控制策略。项目目标是该控制器能补偿故障对系统性能的影响，使系统在故障情况下稳定，同时兼顾系统的稳态和暂态性能，保证其跟踪误差收敛到一个预先设定的区域，同时其收敛速度、超调量等暂态性能满足预先设定条件，且具有一定的鲁棒干扰抑制性能。该研究项目是非线性系统理论、故障检测与诊断，自适应控制等学科的交叉，项目研究的方法和思路具有前沿性和原创性。

本项目以非线性系统理论、反步递推（Backstepping）技术、容错控制、鲁棒控制、自适应控制、神经网络及预设性能等理论为基础，提出非线性系统预设性能相关理论与方法。主要研究下述问题：1、针对一类具有外界扰动的严格反馈非线性系统，将Backstepping技术、预设性能控制和鲁棒控制相结合，提出一种预设性能鲁棒控制器设计新方法，不仅保证系统暂态和稳态性能满足预先设定要求，也使系统具有一定的鲁棒干扰抑制性能。2、研究具有预设性能的非线性系统鲁棒容错自适应控制，该算法能补偿故障对系统的影响，使系统在故障情况下稳定，同时兼顾系统的稳态和暂态性能，保证其跟踪误差收敛到一个预先设定的区域。3、首次提出一种类似于“漏斗”的改进型性能约束函数，利用模糊控制，Backstepping技术等对严格反馈系统进行预设控制研究。4、引入动态面控制策略，克服递推控制中的微分爆炸现象，同时系统中由于不确定性所引起的不利影响可以通过鲁棒控制策略得到很好的抑制。5、为了将本成果应用于其他类型的非线性系统，研究了一类非线性关联大系统自适应鲁棒控制及其误差跟踪问题，取得了一定的研究成果。在本项目实施过程中，项目组在Nonlinear Dynamics，Neurcomputing，Nonlinear Analysis Modelling&Control及Journal of Franklin Institute等国际SCI期刊上发表论文5篇, 其他期刊及国内外会议论文共计9篇。