基于鲁棒观测器的离散时间故障估计和分段线性系统的调节

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1、基于鲁棒观测器的离散时间故障估计和分段线性系统的调节SeyedMojtabaTabatabaeipoura,n,ThomasBakb摘要：在本文中，提出了一种基于观测器的故障估计和调节策略的方法用于离散时间分段线性（PWL）系统的执行器故障的诊断。鲁棒估计器被设计为同时估计系统的状态和执行器故障。然后，故障估计用于补偿故障的影响。通过使用故障和状态的估计，设计使用PWL状态反馈的容错控制器。基于观测器的容错控制器通过估计器和状态反馈控制器获得。我们认为状态反馈和估计器的单独设计影响了整个闭环系统的稳定性。此外，获得了闭环

2、系统的输入平衡稳定性（ISS）增益，并给出了使其最小化的过程。所有的设计条件可以用求解的线性矩阵不等式（LMI）有效表示。此外，通过解决最优化问题，使估计器和状态反馈控制器的性能最优化。该方法的效率通过数值示例来说明。＆2013富兰克林学院。发布者ElsevierLtd.保留所有权利。1,引言对现代工业系统的安全性，可靠性和性能的需求不断增长。系统中的故障可能会降低系统的性能或导致系统功能或稳定性的损失。在某些情况下，它可能导致危险事件。因此，设计能够容忍在操作期间发生一些故障的控制系统是非常重要的，同时保证系统的稳定性

3、和功能性并且保持可接受的性能。这样的控制器被称为容错。在过去二十———————————————————————————————————————————————年中，容错控制（FTC）领域引起了很多关注，参见评论论文[2,18,11]和书籍[9,3]。广义上讲，FTC系统分为两类：无源（PFTC）和有源（AFTC）。在PFTC中，FTC系统不会对故障的发生做出反应，因为控制器的结构和参数是预先设计和固定的，使得它可以容忍一组故障，而控制器中没有任何变化。这意味着容错控制器为正常系统以及故障系统的控制设计问题提供了一个共同的

4、解决方案。因此，PFTC解决方案通常是保守的解决方案。此外，当考虑一些严重故障时，常见的解决方案可能不总是存在，并且如果存在，则其通常表现低性能。另一方面，在AFTC中，控制器对故障的发生作出反应并且改变控制器的参数或结构。故障检测和估计模块用于在故障发生时检测和估计故障。然后，基于发生的故障的信息，在严重故障的情况下，监控控制器改变控制器的控制规则或结构，使得具有新控制器的故障系统稳定并且提供可接受的性能。AFTC通常可以提供更好的性能，因为它基于故障发生的特性改变或修改控制器。在过去三十年中，已经为离散或连续系统的A

5、FTC和PFTC开发了许多方法。对于这些方法的审查，感兴趣的读者参考[3]。但是许多工业系统包括离散和连续的特征。这些系统被称为混合系统。混合系统是包括连续和离散特征以及连续进化和离散转变之间的非平行相互作用的系统。一般来说，混合系统由几种行为模式组成。在每种模式下，系统具有连续动态。这些模式之间的转换可以是状态相关的，时间相关的，输入相关的或基于一些外部事件的发生或这些条件———————————————————————————————————————————————的组合。混合系统出现在许多实际工程应用中，例如机械系统

6、，化学过程，嵌入式系统，制造和交通控制。混合系统的FTC近年来已经吸引了一些研究。例如参见Yang和Jiang的书[29]。但在这一领域的研究仍处于起步阶段，需要在这一领域进行更多的研究。PWL系统是一类有吸引力的混合系统。这是因为PWL框架提出了一种有效的方式来描述展示在多个线性系统之间切换的系统的动态，其中切换是依赖于状态的[13]。在许多非线性系统中，这种切换是由于诸如死区，饱和，滞后等的PWL分量。这些非线性出现在许多工业应用中，并且可以由PWL系统有效地建模。例如，在[26]中表明，许多实际系统，如具有摩擦的机

7、械运动系统可以有效地建模为PWL系统。此外，PWL系统可以有效地近似非线性系统[21]。此外，在[7]中，显示离散时间分段系统等效于其他类的混合系统，如混合逻辑动力系统和线性互补系统在温和良好的假设。此外，诸如[24,6,19]的系统识别方法可以用于识别非线性系统的PWL模型。PWL系统最近已经用于不同应用领域中的系统的建模和控制。例如在[27]中，使用一个桨距控制的风力涡轮机的PWL模型基于聚类的技术。在[23]中，一个活的股票建筑物的PWL模型用于控制和可重构性分析。与PWL系统密切相关的是交换系统。开关系统的稳定性

8、的一个重要问题是确定开关之间最小时间（停留时间）的限制，参见[4,5]———————————————————————————————————————————————及其中的参考文献。参考文献[28]考虑了具有周期性切换信号的非线性交换系统的容错控制的问题。作者假设切换序列是固定的，并且在开关之间存在一系列规定的停留时