实际特性执行器未知故障系统的自适应控制研究及应用

Actuator failures seem inevitable during the operation of system. How to improve the safety and reliability of the control system under such failures has become a hotspot issue. Throughout the existing results about the controller design for systems with unknown actuator failures, some usual inherent characteristics of practical actuators for example, hysteresis, dead-zone, time delay have always been ignored in the controller design. In this project, we will focus on the research of adaptive control for systems with unknown failures of practical actuators. The main research contents are as follows: Firstly, based on the simple approximations of hysteresis and dead-zone we will research the compensation of combined uncertainties caused by unknown failures and unknown strong nonlinearities. Then we will research how to construct the state observer of such failure systems with practical actuators. State feedback and output feedback adaptive control laws will be proposed. Secondly, considering a class of systems with actuator delay (unknown constant delay) and unknown actuator failures, by researching the transport PDE expression of such delay and constructing the reversible backstepping transformation under unknown practical actuator failures, an adaptive control law will be proposed. Finally, to time-varying delay, by constructing state predictor model of above systems with unknown actuator failures, an adaptive control law will be proposed.

系统运行中执行机构不可避免地会发生故障，此时如何提高控制系统的安全可靠性已成为近年来的研究热点。纵观未知执行器故障系统的控制研究，现有结论均只单纯考虑反馈控制信号通过执行器能直接作用于被控系统，而忽略了实际执行器自身的一些固有特性（滞回、死区、时滞等）对控制信号传输的影响。本项目从理论研究的实际应用出发，提出完善的实际特性执行器未知故障系统的自适应控制理论。研究内容为：针对实际特性执行器未知故障系统，开展基于滞回（死区）简单近似的联合不确定性综合补偿方法及基于光滑逆近似的故障系统状态观测器的设计研究，得到状态、输出反馈自适应控制器；考虑未知定常时滞执行器未知故障系统，提出故障下的输入时滞Transport PDE表示方法及可逆的Backstepping Transformation构造方法，得到自适应控制器；针对时变时滞情况，提出未知执行器故障下的状态预估模型构造方法，设计自适应控制器。

执行器在系统运行过程中不可避免的会发生故障，这种故障常常会降低被控系统的性能，甚至导致系统不稳定。同时执行器固有特性（包括未知滞回、死区、输入时滞等）常常存在于实际被控系统，也会对系统性能造成严重影响。因此在执行器故障问题的研究中，必须充分考虑执行器的固有特性。执行器故障以及执行器固有特性常具有未知性。利用自适应控制的优势，深入研究实际特性执行器未知故障系统的自适应控制理论，不仅在基础理论研究上有其深远的意义，在实际应用中也有重要的价值，对实际系统控制器设计可做出指导。. 本项目在执行器故障系统的控制研究中充分考虑执行器本身所具有的固有特性（包括滞回、死区、执行器时滞）等所造成的影响，建立了系列考虑执行器固有特性的未知故障系统控制器设计方法及系统性能分析方法，不仅使执行器故障方面的理论结果更加完善，也使得该理论更符合被控系统的实际情况。该项目完成了既定的研究计划，主要研究内容包括：（1）针对未知执行器故障、未知执行器强非线性、未知外界扰动、模型误差造成的非三角结构不确定项，研究了一类非线性系统的基于Backstepping的控制器设计方法。（2）针对一类滞回执行器未知故障系统，基于Backstepping方法给出了未知执行器故障下的状态反馈自适应控制器。（3）通过构造光滑逆模型，设计了滞回执行器故障系统的自适应补偿控制器。（4）针一类非线性系统，给出了基于输出反馈的滞回执行器未知故障系统的自适应控制器的设计方法。（5）针对一类未知执行器故障的非线性系统，深入研究了基于事件驱动的故障补偿控制器的设计方法。（6）针对执行器存在老化的情况，设计了执行器故障系统的自适应补偿控制器。（7）针对状态时滞系统，同时考虑系统执行机构具有未知故障，设计了自适应补偿控制器。（8）针对非线性系统输入时滞下执行器未知故障的自适应控制问题，构造了系统稳定控制器。