故障在有限频域内的快速估计与调节方法研究

Traditional observer-based fault estimation and accommodation methods are designed in full-frequency domain, which do not consider the fault occurred in the certain frequency range, leading to much conservatism. In addition, due to the increasing on-line diagnosis and fault-tolerant performance demand of process control systems, the traditional fault estimation algorithm can not meet system performance requirements, including rapidity and accuracy. To this end, the study of this project is to develop fast fault estimation and accommodation design within finite-frequency domain: 1) For continuous-time systems, considering faults in different frequency ranges, the corresponding fast fault estimation algorithms are established to reduce the conservatism generated by the traditional fault estimation design in full-frequency domains; 2) The fast fault estimation algorithm is designed in finite-frequency domain to on-line enhance rapidity and acuracy; 3) Based on fault estimate obtained online, the optimization design of the multi-constrainted fault estimation and accommodation is developed within the scope of finite-frequency domain; 4) The corresponding results of discrete-time systems in finite-frequency domain are developed to broaden applications of fault estimation and accommodation. Finally, the anticipated research results is to estalish a new theory research framework of fast fault estimation and accommodation design in finite-frequency domain.

传统基于观测器的动态故障估计和调节方法是针对故障在全频域范围内设计，没有考虑故障发生所在的频域范围，故传统方法存在较大保守性；另外，随着过程控制系统对在线实时诊断和容错性能的要求越来越高，使得传统故障估计和调节算法在快速性和准确性等方面难以满足系统性能需求。为此，拟开展故障在有限频域内的快速估计和调节方法研究：1)针对连续时间系统，对不同有限频域内的故障，建立相应的故障估计算法，减少全频域故障估计设计方法的保守性；2)进行有限频域内快速故障估计算法设计，以提升在线实时故障估计的快速性和准确性；3)基于在线获取故障估计值，开展有限频域内的多约束故障调节设计方法研究恢复系统的性能；4)建立离散时间系统的有限频域内快速故障估计和调节一体化设计方案，拓宽基于有限频理论故障估计和调节的理论应用范围。最终，预期的研究成果是形成一套较为新颖的有限频域内的快速故障估计与调节设计理论研究框架。

针对传统基于观测器的动态故障估计和调节方法是在全频域范围内设计，没有考虑故障和干扰发生所在的频域范围，故传统方法存在较大保守性。本项目开展了故障在有限频域内的估计和调节方法研究。主要研究成果如下：1) 针对连续时间系统，通过构造一个增广系统，提出了一种有限频域内的多约束全阶故障估计观测器实现在线的故障估计；同时提出基于广义Kalman–Yakubovich–Popov引理的全阶故障估计观测器，该方法可以减少基于全频域设计带来的保守性；通过引入自由变量，得到了针对不同频域范围的改进结果，对于各个约束条件设计不同的Lyapunov矩阵，减少了设计的保守性。2) 对于离散时间系统，提出了一种基于有限频域的全阶故障估计观测器来实现故障估计，这种方法可以降低在整个频域的保守性；通过构造一个降维的故障估计观测器，得到一种新的可以使用当前输出信息的估计故障器；基于松弛变量技巧，得到了改进的有限频域的全维和降维故障估计观测器设计，对于每一个约束分别设计不同的Lyapunov矩阵。3)在多约束设计下，提出了一种基于有限频域的T-S模糊模型全阶故障估计观测器来实现故障估计，这种方法可以降低在整个频域的保守性。4）以四旋翼直升机平台为验证对象，当四旋翼直升机执行器低频域突发故障或突受干扰时，利用直接自修复控制技术，设计一种基于直接自适应滑模控制的四旋翼直升机姿控系统，使其在故障或干扰信息未知的情况下，仍能保持稳定并且跟踪上理想输出信号；系统的稳定性和跟踪性能是由Lyapunov稳定性定理来确保的，这体现在参数更新律的设计过程中。最终，建立了一套较为新颖的有限频域内的故障估计与调节设计理论研究框架。