[发明专利]针对时滞不确定性系统执行器故障的鲁棒预测容错控制方法

说明书

本发明公开了针对时滞不确定性系统执行器故障的鲁棒预测容错控制方法。考虑线性离散时滞系统的参数不确定性和执行器失效故障，利用线性矩阵不等式和鲁棒预测控制，提出一种鲁棒容错控制方法。根据系统模型，建立带有输出误差的增广状态模型，提高控制效率；基于预测控制理论，提出鲁棒预测控制算法，并在状态反馈控制中加入故障模型的比例因子和时滞控制项；利于线性矩阵不等式将“极小‑极大”优化问题转化为最小化问题，得到最优控制律，保证系统的稳定性。本发明方法通过建立新的状态模型和改进状态反馈控制律，有效地系统的控制精度和鲁棒性。本发明用于带有执行器失效故障的时滞不确定性系统的被动容错控制。

技术领域

本发明涉及针对时滞不确定性系统执行器故障的鲁棒预测容错控制方法，属于时滞不确定性系统的容错控制技术领域。

背景技术

不管科技如何快速发展，安全始终是人们追求的目标之一。且随着现代工业系统、电网系统、航空航天等系统的规模越来越大，结构越来越复杂，人们对系统的可靠性和安全性也有着越来越高的要求。倘若发生故障，将可能带来巨大的经济或人员损失。除此，不同程度的时滞现象也在各类实际控制系统中普遍存在，即系统状态的变化不仅仅取决于当前时刻的状态值，也会受到过去时刻状态值的影响，而时滞会破坏系统的稳定性和降低系统的性能。由于被控系统的复杂性，控制精度的高要求，不能对时滞做简单的处理和忽略，需要建立较为精确的时滞数学模型；而且在实际中，纯滞后环节很少单独存在，总是和系统模型参数不确定性等其他环节同时存在。因此关于时滞不确定性系统的容错控制研究是十分必要的，具有广阔的前景和发展空间。

模型预测控制算法是一类新型计算机控制算法，它几乎可以用于任何的控制问题，但在如下一些问题中最显其优势：操作变量和被控变量的维数很高；操作变量和被控变量都需要满足物理约束；控制指标经常变化和/或设备(传感器/执行器)易出现故障；时滞系统。而鲁棒预测控制是在考虑模型不确定性的前提下设计状态反馈或输出反馈控制器，以保证闭环系统的可行性和鲁棒稳定性，能有效处理系统的模型不确定性。因此针对时滞不确定性系统的普遍存在和模型预测控制的这些特点，研究时滞不确定性系统的鲁棒模型预测控制具有重要的理论价值和实际应用意义。

近年来，研究者提出了很多有效方法。苏成利等人提出了一类针对多重时滞不确定系统的鲁棒预测控制；平续斌等人研究了具有多胞不确定性和有界噪声的系统的动态输出反馈鲁棒模型预测控制方法；刘晓华等人针对同时具有状态和输入时滞的不确定广义系统，研究了其鲁棒预测控制问题，但这些没有考虑到系统的故障。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出针对时滞不确定性系统执行器故障的鲁棒预测容错控制方法，为加强控制效率，建立带有输出误差的增广状态模型；同时考虑到时滞和故障的影响，设计带有故障因子和时滞反馈项的状态反馈控制律，利用线性矩阵不等式将性能指标的“极小-极大”优化问题转化为极小优化问题，求解满足要求的不等式得到反馈增益，保障系统稳定运行。

技术方案：根据被控对象的输出误差，建立增广状态模型，在此基础上采用鲁棒预测控制算法；在系统存在时滞和执行器失效故障时，状态反馈律加入了校正项；预测控制的性能指标“极小-极大”优化问题通过线性矩阵不等式方法转化为最小优化问题，得到反馈增益，使控制律得以求解，构成被动容错控制器，被控对象得以稳定运行，包括如下具体步骤：

步骤1)获取系统数学模型：

步骤1.1)考虑具有一般性的状态时滞系统的离散模型，如式(1)所示：