基于Kernel算子的仿射非线性系统故障诊断与容错控制研究及应用

This project aims to propose a new fault diagnosis and fault tolerant control approach for a class of affine nonlinear systems. We will conduct the work based on the nonlinear Kernel operator and its state space representation. More specifically, our main research contents will shed light on: - addressing the unified solution to the design of fault diagnosis observers for affine nonlinear systems, the construction of relevant evaluation function and the generation of dynamic thresholds; - introducing the active fault tolerant control schemes, which shall be liable to realize the online reconfiguration/adaptation and optimization for affine nonlinear systems. We will consider this part with the discussion of the multi-objective optimization problem to guarantee system reliability, real-time capability etc. - and furthermore, developing an integrated framework to design fault diagnosis and fault tolerant control for affine nonlinear systems. With regard to these aspects, the key scientific issues we intend to focus on will be the parameterization of fault diagnosis observers, the design of residual generator-based active fault tolerant controller architecture and fast online algorithms that realize fault diagnosis and controller reconfiguration. As for the follow-up work, we will dedicate to the studies that validate including theories, algorithms, with numerical simulation, and the application in a typical equipment of hot strip rolling production process. Finally, we will establish a systematic research framework to facilitate the studies of fault diagnosis and fault tolerant control for affine nonlinear systems, as well as providing the theoretical basis and technical support for the control of advanced complex industrial systems.

本项目利用非线性系统理论中的Kernel算子及其状态空间表达，提出一种研究仿射非线性系统故障诊断与容错控制的新方法。主要研究内容包括：给出仿射非线性系统的通用故障诊断观测器设计方法，以及评价函数构造与动态阈值设计方法；提出仿射非线性系统易于在线重构和优化的主动容错控制器设计方法，以及兼顾系统可靠性、实时性等要求的多目标优化容错控制器设计方法；建立仿射非线性系统故障诊断与容错控制的一体化设计方案。重点解决仿射非线性系统故障诊断观测器参数化、基于残差发生器的主动容错控制结构设计及参数化，以及快速在线故障诊断与控制器重构算法等关键科学问题，并以带钢热连轧生产过程中的典型生产装置为对象，开展应用验证研究，从理论、算法、数值仿真到应用验证，建立仿射非线性系统故障诊断与容错控制的系统性研究框架，为先进复杂工业系统控制提供理论基础与技术支撑。

本项目以复杂工程系统为背景，利用非线性系统算子理论和状态空间相结合的方法，研究了非线性系统基于观测器的故障诊断与容错控制，并在船舶推进系统、带钢热连轧工业过程故障诊断与容错控制中进行了应用验证。项目的主要进展和取得的成果有：①给出了一般非线性系统基于观测器的故障检测系统的存在条件，进一步利用非线性系统算子理论，给出了故障检测系统残差产生器和阈值参数化形式及一体化设计方法；②给出了基于T-S模糊建模技术的非线性系统故障检测方法，以及基于故障检测观测器的存在条件，建立了仿射非线性系统加权模糊故障检测系统的设计算法，以及残差产生器、评价函数和动态阈值的一体化设计方法，进一步给出了含扰动的非线性系统非同步故障检测方法；③给出了Kernel和Image表征的数据驱动实现形式，以及在故障检测和容错控制中的应用，建立了控制系统数据驱动全寿命周期管理方案及基于事件驱动的实现策略；④针对工程系统中对在线故障诊断和控制器参数重构的实时性要求，给出了求解非线性方程的快速数值算法，及在非线性系统自适应控制律设计中的应用；⑤将得到的理论和方法在船舶推进系统、带钢热连轧工业过程故障诊断与容错控制中进行了应用。本项目的成果可为先进复杂工业系统安全可靠运行提供理论基础和技术支撑。