非线性切换系统的可重构性分析

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系统故障,如执行器故障和结构损伤,可能导致系统性能恶化,甚至导致灾难性的事故。为了提高系统的安全性和可靠性,具有故障补偿能力的容错控制受到了广泛的关注,已经成为控制领域的一个非常重要的研究方向,并在许多新兴领域得到了实际应用。而本文所要研究的系统可重构性正是评价系统容错能力的一个指标,并对系统容错控制设计具有重大的指导意义。  本课题来源于国家自然科学基金项目,针对非线性系统以及非线性切换系统进行可重构性研究。文中首先回顾了可重构性方面的研究现状,给出了发生执行器故障的线性系统的可重构性以及线性切换系统的可重构性方面的研究成果,着重介绍了他们所定义的控制可重构性的概念以及可重构性评价指标的选取分析过程。基于现有的研究成果,本文研究了非线性系统、非线性切换系统的可重构性的相关问题,得到了较为广泛和系统的研究结果,其主要包括:  (1)非线性系统的可重构性。首先针对非线性系统的分段仿射(PWA)估计系统设计了分段仿射控制器,并给出了该控制器能将原非线性系统镇定的充分条件。通过分析PWA系统的线性二次控制性能的上界,给出了非线性系统可重构性的一个可以离线计算的评价指标。另外还给出了对于给定的控制性能要求,非线性系统可重构的充分条件。最后,用一个飞机纵向飞控系统的仿真实例来阐明所提出方法的可行性。  (2)非线性切换系统的可重构性。首先回顾了Scherpen所提出的从能量方面出发所提出的非线性可控性和可观性函数,基于此利用LaSalle不变原理找到了在一定假设条件下将系统状态由初值转移到原点最小控制能耗以及相应的控制律表达式,然后将该结论进一步推广到非线性切换系统,并在考虑故障的情况下给出了基于控制能耗的可重构性评价指标,该指标也为切换系统容错控制的设计有很大帮助,最后用几个数字仿真例子来说明所提方法的有效性。
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