基于未知输入观测器的非线性动态系统故障估计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov．252015VoI．36No．113687．3697ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．cnDOI：10．7527／$1000-6893．2015．0067基于未知输入观测器的非线性动态系统故障估计胡正高1’2一，赵国荣1，周大旺11．海军航空工程学院控制工程系，烟台2640012．海军蚌埠士官学校，蚌埠233012摘要：针对一类受扰非线性动态系统的

2、执行器故障估计问题，提出一种未知输入观测器来实现故障估计。首先，通过坐标变换将原系统转化为合适的形式；其次，采用线性矩阵不等式与Lyapunov泛函分别设计H。输出反馈控制器和未知输入观测器，在此基础上实现对系统中执行器故障的渐近估计；最后，通过机械臂系统仿真分析并验证了所提方法的有效性。与已有方法相比，所提方法不要求故障可导，也不要求故障或干扰上界已知，因此易于在工程实际中实现对非线性系统执行器故障的估计。关键词：非线性动态系统；输出反馈；Lyapunov泛函；线性矩阵不等式；机械臂系统；未知输入观测器；故障估计中图

3、分类号：V448；TP273文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)11—3687—11随着对工艺的集约化水平要求越来越高，现代工业系统很容易运行在极限情况附近，从而造成系统的动态行为变得异常复杂，再加上元器件的老化或磨损以及外部环境的突然变化，使得此类系统很容易发生故障。系统中发生的故障如果不能得到及时的诊断与处理，轻则会降低生产效率，增加生产成本；重则会导致系统失稳。特别是对于安全性要求高的系统(如飞控系统)来说，系统中发生的故障可能会激起飞机翼面的有害振动，从而降低飞机的机动性与结构完整性，如果不及

4、时处理，可能会造成机毁人亡的重大安全事故。正是由于工业上对系统可靠性与安全性的迫切需求，动态系统的故障检测与诊断技术(FDD)得到了研究人员越来越多的关注[1。4]，并获得了飞速发展，许多有效的方法与算法已经被提出[51]。尽管如此，FDD仍然是一个充满挑战与日益活跃的研究领域，而且已经被广泛应用于航空与航天飞行收稿El期：2014．11．13；退修El期：2014-12-23；录用El期：2015·03-06基金项目：国家自然科学基金(61473306)*通讯作者．Tel：0535—5357373E-mail：zgh

5、u001@163．com器，如民用客机[8]、无人机[9]、近空间飞行器[1叩与卫星E111等。在过去的40年中，基于观测器的故障检测方法得到了大量研究[12。。事实上，故障检测仅仅是知道系统是否发生故障，而故障估计却可以获知故障的幅度。特别是对于难以检测的缓变故障，故障估计能有效检测出故障并对其幅度进行估计。更为重要的是，通过故障估计得到的故障信息可以为实现主动容错控制策略服务[13

6、，进而可以用比较小的代价来保证故障系统安全稳定地运行。由于故障估计在故障诊断中的重要性，该问题得到了研究人员的广泛关注。其中，基于观测

7、器方法的故障估计问题已经取得了不少成果。文献[-14—19]采用滑模观测器来实现故障估计。然而，滑模观测器在实现故障估计的同时，也不可避免地引进了抖振。此外，在滑模观测器的设计过}l用格武lHUZG．ZhaoGR，ZhouDWiFa“testimationfornonlieardynamicalsystemsbasedonunknowninputobserverEJ]．ActaAero-nauticaetAstronauticaSinica．2015，36(1”：3687-3697÷胡正高。赵国荣．周大旺．基f未知输入

8、观溅器的非线性动态系统故障估计[J]i航空学报，2015，36(11)：3687-3697．航空学报NOM．252015VOI．36No．11程中，均假设故障或干扰的上界已知，但在实际应用中却很难获取这些参数，从而难以完成滑模观测器的设计，进而无法实现对故障的估计。文献[20一23]利用自适应观测器来估计故障。然而，在自适应观测器的设计过程中，均假设故障是可导的，从而使得此类方法难以实现对突变类故障的估计，一定程度上限制了此类方法的应用范围。此外，此类方法还需要故障与故障导数的上界已知，而这些参数同样在工程实际中难以获

9、取。文献[24]采用高增益观测器来估计非线性动态系统的故障，并要求故障的上界信息已知。文献E253采用高阶高增益滑模观测器来估计故障，并要求故障与干扰可导，同时要求干扰的上界已知。文献[263提出了基于神经网络观测器的故障估计方法，然而神经网络中参数的选取仍然缺乏统一的科学依据。文献E27]将Luenberger观测器和学习观测器