非高斯不確定隨機分布控制系統(tǒng)的故障診斷與容錯控制.pdf

1、伴隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性隨之急劇增加，對實際系統(tǒng)的可靠性以及安全性的要求也越來越高。系統(tǒng)運行一旦發(fā)生故障，如不能及時檢測診斷且采取正確的方式消除影響，會產(chǎn)生極其嚴(yán)重的后果，這就使得故障診斷與容錯控制相關(guān)領(lǐng)域的研究得到深入關(guān)注。同時，現(xiàn)實生產(chǎn)過程中可能會受到各種未知的隨機擾動，這就使得針對隨機系統(tǒng)領(lǐng)域的研究成為控制學(xué)科的重要組成部分。
　　通常，隨機系統(tǒng)是在基于系統(tǒng)變量服從高斯分布的假設(shè)下進行研究，但是在現(xiàn)

2、實過程中這一條件并不總能成立。隨機分布控制（Stochastic Distribution Control, SDC）系統(tǒng)對輸出的概率密度函數(shù)（Probability Density Function, PDF）的形狀進行控制，從而避免對系統(tǒng)隨機變量分布的限制，可以歸屬于隨機系統(tǒng)研究分支之一。SDC系統(tǒng)的研究在諸如造紙工業(yè)過程控制、磨礦過程礦物粒徑分布控制、化工過程高分子聚合反應(yīng)以及鍋爐火焰燃燒和溫度場分布控制等實際過程得到了廣泛的應(yīng)用

3、。由于實際工業(yè)系統(tǒng)建模的復(fù)雜性，描述其精確動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型很難獲取，需要對建模進行適當(dāng)簡化。此外，工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境及條件可能發(fā)生改變，這將對系統(tǒng)模型產(chǎn)生不可預(yù)知的影響。系統(tǒng)模型的簡化或由于環(huán)境變化、參數(shù)漂移等未知變化導(dǎo)致的模型與實際工程對象之間存在的差異，稱為模型不確定性。這種不確定性對系統(tǒng)的影響不同于如外源擾動、噪聲等外部輸入不確定因素，使得一般的故障診斷與容錯控制技術(shù)的應(yīng)用過程中產(chǎn)生一系列問題，降低故障診斷以及容錯控制的靈敏度與精確

4、度，這就使得針對非高斯不確定SDC系統(tǒng)故障診斷與容錯控制的研究成為必要。
　　以造紙和層燃煤鍋爐燃燒為應(yīng)用背景，本論文對非高斯不確定SDC系統(tǒng)進行了故障診斷和容錯控制的研究。本文的主要工作如下：
　?。?）對非高斯不確定SDC系統(tǒng)，采取線性B樣條模型輸出PDF進行靜態(tài)建模，建立權(quán)值系統(tǒng)動態(tài)模型。首先利用權(quán)值跟蹤誤差的反饋設(shè)計無故障時的控制器，使系統(tǒng)能夠跟蹤給定分布，并證明了權(quán)值變量的有界性。故障發(fā)生后設(shè)計自適應(yīng)觀測器來估計系

5、統(tǒng)出現(xiàn)故障的時間及大小，將系統(tǒng)輸入和期望權(quán)值增廣為新的控制輸入，并利用輸出PDF跟蹤誤差的積分和故障診斷信息構(gòu)造增廣控制輸入，將控制器重構(gòu)獲得容錯跟蹤控制器，使得出現(xiàn)故障的系統(tǒng)輸出PDF仍盡可能滿足跟蹤給定PDF的性能要求。最后，計算機仿真的示例證明了本章算法對定值故障具有很好的效果。
　　（2）對輸出PDF靜態(tài)模型由線性B樣條逼近的非高斯不確定SDC系統(tǒng)，考慮輸出PDF逼近誤差，給出了魯棒故障診斷和滑模容錯控制的集成方法。通過將

6、不確定輸入和PDF逼近誤差視為未知外源擾動，利用未知輸入觀測器的思想，給出增廣的自適應(yīng)診斷觀測器進行故障估計，證明了增廣觀測誤差動態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定且滿足H?性能指標(biāo)。利用B樣條權(quán)值跟蹤誤差動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計積分型切換函數(shù)，并給出滑模容錯控制器的等效部分，證明了閉環(huán)系統(tǒng)和跟蹤誤差動態(tài)系統(tǒng)可以同時穩(wěn)定以及滑模面的可達性，從而實現(xiàn)使故障發(fā)生后的系統(tǒng)輸出性能仍滿足給定分布的容錯控制。最后，通過兩種不同系統(tǒng)不同復(fù)雜時變故障的仿真實例證明了本章中提出的算法的有

7、效性。
　　（3）針對非高斯不確定奇異SDC系統(tǒng)，其輸出PDF靜態(tài)模型由平方根B樣條逼近，同時考慮了PDF逼近誤差。首先在故障發(fā)生前利用PDF跟蹤誤差積分作為反饋給出PDF跟蹤控制器，使得正常運行的系統(tǒng)輸出PDF滿足給定的期望，排除模型不確定性和PDF逼近誤差對系統(tǒng)正常運行的影響，并證明了系統(tǒng)狀態(tài)的有界性。設(shè)計自適應(yīng)診斷觀測器估計系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時間和幅值。結(jié)合故障估計信息，重構(gòu)跟蹤控制器從而實現(xiàn)容錯控制，并證明了容錯控制后跟蹤誤差