[发明专利]一种基于预设性能的不确定非线性系统抗饱和容错控制方法

说明书

本发明公开了一种基于预设性能的不确定非线性系统抗饱和容错控制方法，具体包括：1、首先分别建立执行器故障和输入饱和模型并引入到非线性系统模型中；同时，结合误差转换技术释放输出跟踪误差的不等式约束，将其转化为等式条件后得到可用于控制设计的非线性系统变换模型；2、采用双曲正切函数对输入饱和进行逼近，并应用Nussbaum函数方法抑制执行器失效故障对系统的负面影响；3、在2的基础上，结合反步控制理论设计不确定非线性系统抗饱和容错控制方案，保证跟踪误差始终在设定的范围内变化。本发明对同时考虑输入饱和、执行器故障和跟踪误差受限的不确定非线性系统进行抗饱和容错控制方案设计，这对提高系统的安全性具有深远意义。

技术领域

本发明属于非线性系统安全控制技术领域，具体地说，是一种基于预设性能的不确定非线性系统抗饱和容错控制方法。

背景技术

实际中的系统几乎都具有非线性特性，传统控制方法只能保证系统在标称工况下的性能，但工业环境复杂多变，且伴随着各种各样威胁非线性系统安全运行的因素。输入饱和问题广泛存在工程实际中，它是由控制元件本身的结构或者材料限制引起的，比如阀门的开度是有最大限度的；发动机转速必须在一定的范围内变化；日常使用的电器，所能承受的电压和电流应满足国家电网的要求；水箱的水位设定有最大值等。输入饱和现象对控制系统性能有较大的影响，饱和出现意味着执行器的输出不再响应输入信号的变化，这会导致输出误差的增大，进而使得调节时间变长，跟踪性能下降，甚至导致控制系统不稳定，因此对具有输入饱和的非线性系统进行研究具有重要意义。

容错控制最早起源于1971年，是一门与鲁棒控制、自适应控制、故障检测与辨识等学科相关联的交叉学科，其核心思想在于保证系统在执行器、传感器等元器件发生故障的情况下，系统仍具有可接受的控制性能。近年来，随着自动控制技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用，系统的结构日趋复杂，规模也越来越大，这导致系统各个部件发生故障的可能性也越来越高。若系统在运行过程中出现的故障不能被及时处理，轻者会造成系统控制性能下降，重者会导致整个系统崩溃，产生无法估量的损失。因此研究非线性系统的容错控制技术具有重要的实际价值。

此外，在航空航天、生物医学、人工智能等高精尖领域，除了要保证系统的安全运行这一基础条件外，对其输出性能也有严格限制，比如在航空航天领域要求跟踪误差严格在设定的范围内变化以保证控制任务圆满完成。而输入饱和、执行器故障等因素的存在，无疑给不确定非线性系统的高质量控制器设计提出了新的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于预设性能的不确定非线性系统抗饱和容错控制方法，该方法保证非线性系统在同时考虑执行器故障和输入饱和影响下的瞬态和稳态性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于预设性能的不确定非线性系统抗饱和容错控制方法，具体包括如下步骤：

(1)首先分别建立执行器故障和输入饱和模型并引入到非线性系统模型中。同时，结合误差转换技术释放输出跟踪误差的不等式约束，将其转化为等式条件后得到可用于控制设计的非线性系统变换模型；

(2)采用双曲正切函数对输入饱和进行逼近，并应用Nussbaum函数方法抑制执行器失效故障对系统的负面影响；

(3)在步骤(2)的基础上，结合反步控制理论设计不确定非线性系统抗饱和容错控制方案，在提高系统安全性的同时，保证跟踪误差始终在设定的范围内变化。

进一步的，在步骤(1)中，考虑的严格反馈不确定非线性系统模型为：

y_h＝x_h1

其中u_h∈R，y∈R和分别为系统输入、输出和状态向量，和代表光滑未知的非线性函数。