切换系统容错控制性能分析与设计及其飞控应用

南京航空航天大学硕士学位论文

摘要

系统故障，如执行器故障、转速饱和等，可能导致系统不稳定，性能恶化，在现代工业中可能导致严重的事故和经济损失。因此为了提高系统的安全性和稳定性，容错控制的研究越来越重要。切换系统作为一类混合系统，应用在越来越多的工业领域上，因此对于切换系统的容错控制的研究受到了广泛的关注。由于切换系统特性，本文首先提出了切换系统的广义分离原理，由于故障的发生，切换系统的性能会有一定的下降，对此本文对切换系统的性能降级进行了分析；针对高阶系统，研究中通常会对系统进行降阶处理，本文针对容错控制后的切换系统的模型降阶进行了一定的研究。

首先，介绍了本课题的研究背景、目的及意义，系统地阐述了故障、容错控制（Fault Tolerant Control，FTC）、广义分离原理、性能降级和模型降阶的相关概念，总结了切换系统的容错控制的研究现状。本文主要研究了切换系统的分离原理、性能降级及模型降阶的相关问题，得到了一定的研究成果，其中主要包括：

（1）线性切换系统的广义分离原理研究。针对线性切换系统，当系统发生故障后，给出故障后系统满足广义分离原理的条件，并对故障后系统分别设计控制器、观测器和切换律保证系统稳定性。同时，利用NASA的HiMAT飞机的仿真实例来验证所给出的结论的有效性。

（2）切换系统的性能降级分析。针对切换系统，当系统发生故障，对系统进行容错控制后，系统的的性能会有所下降，针对这种情况，给出系统性能降级的评价指标，并给出系统性能降级可接受的条件。同时，利用HiMA T飞机的仿真实例验证所提出的结论的有效性。

（3）故障容错切换系统的模型降阶研究。针对高阶线性切换系统，可利用平衡截断方法对系统进行降阶，发生故障进行故障容错控制后，首先给出一个故障容错线性系统可用进行与故障前线性系统相同的平衡截断的条件，然后将该结论进一步推广到容错控制线性切换系统上，提出容错控制线性切换系统可进行与原线性切换系统相同平衡截断的条件，最后用数值仿真来验证所提出结论的有效性。

关键词：切换系统，容错控制，广义分离原理，性能降级，模型降阶

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