基于切换策略的鲁棒容错控制系统优化设计

Time-varying model uncertainty and fault often occur in practical control systems. Thus, control systems must be robust for uncertianty and has fault-tolerant ability. For linear systems with time-varying uncertainty and time-varying fault, this project proposes a set of new methods to optimize robust fault-tolerant control systems based on the switching strategy. Firstly, a robust controller with variable gains is constructed for linear systems with affine time-varying uncertainty, based on the switching strategy and parameter-dependent Lyapunov function method. On this basis, the strong coupling between time-varying uncertainty and fault is deeply analysis. Then some new switching strategies are introduced to propose a set of optimization methods to design robust fault-tolerant controllers with variable gains. Secondly, some convex optimization conditions of fault-tolerant controllers are given for uncertain input constrained systems. Then signal quantization phenomenon is taken into account, new analytical methods and techniques are introduced to reduce the impact of uncertainty, failure, and quantization error on control systems designs and enhance systems performance. The results of this project can not only enrich the existing fault-tolerant control theories, and provide useful references to improve the reliability and security of practical systems.

系统模型普遍存在的不确定性及可能发生的故障均具有时变特性，因此要求所设计的控制系统必须对时变不确定性具有鲁棒性，同时对时变故障具有容错功能。本项目针对具有时变不确定性和时变故障的系统，提出一整套基于切换策略的鲁棒容错控制器优化设计的新方法。首先，针对具有时变仿射不确定性的线性系统，基于切换策略并采用参数依赖型 Lyapunov函数，构造鲁棒变增益控制器；在此基础上，进一步将时变执行器故障与时变不确定性一并考虑，深入剖析二者之间所存在的强耦合现象并引入新的切换策略，提出一套系统的鲁棒容错变增益控制器优化设计方法。其次，针对不确定输入受限系统的容错控制器综合问题，给出凸的优化设计条件；同时考虑信号量化现象，引入新的分析方法和技术手段，减少不确定性、故障以及量化误差等因素对控制系统设计的影响，提升系统的性能。该项研究不仅可以丰富现有的容错控制理论，而且为提高实际系统的可靠性和安全性提供有益借鉴。

本项目完成了计划任务书中规定的研究内容与研究计划，取得了一些有意义的成果。主要针对具有时变不确定性和时变故障的系统，提出一系列基于切换策略的鲁棒容错控制器优化设计的新方法。项目组成员共发表标注基金号的论文72篇，其中57篇被SCI收录；项目负责人叶丹成功获得国家自然科学基金优秀青年科学基金项目资助(2013)、霍英东高等院校青年教师基金（2014），入选辽宁省百千万人才工程计划百人层次（2014）。叶丹担任控制与决策编委和Mathematical Problems in Engineering编委，中国自动化学会信息物理系统控制与决策专业委员会秘书长。.本项目的主要创新工作集中在如下四个方面：1)不确定线性系统鲁棒与容错优化控制：针对含有时变不确定参数、时变执行器故障的线性系统，提出了基于切换策略的状态反馈/动态输出反馈鲁棒容错优化控制方法；研究时变传感器故障下的不敏感可靠滤波器设计问题，明确给出了系统性能衰减、传感器故障及滤波器系数变化补偿之间的关系。2)非线性不确定系统的鲁棒容错优化设计: 针对不同类型的非线性系统，引入切换技术在多模型策略下设计出新颖的故障检测与隔离观测器，有效地检测故障；针对带有执行器故障的仿射非线性系统，提出新颖的基于自适应动态规划的容错控制方法，放松了对持续激励条件的要求。3)不确定互联系统的鲁棒容错优化设计：针对具有不同网络拓扑的多智能体系统，基于邻接智能体的信息设计分布式自适应容错控制器，保证了跟随者的状态能够渐近跟踪领导者的状态；针对网络衰减故障，设计自适应控制器以解决复杂网络系统牵制节点的有限时间同步问题；4)具有信号量化/输入受限的不确定系统鲁棒容错控制器优化设计：针对不确定线性系统，构造了变增益量化反馈容错控制器；针对输入受限的连续不确定Markov系统，给出鲁棒H2控制器设计方法，提高系统抗干扰能力。