请叫我雷锋 发表于 2017-9-3 08:56:23

《Fault Tolerant Control Schemes Using Integral Sliding Modes》

《Fault Tolerant Control Schemes Using Integral Sliding Modes》
采用积分滑模的容错控制方案
作者：
Mirza Tariq Hamayun
Christopher Edwards
Halim Alwi
出版社：Springer
出版时间：2016年







目录
1 Fault Tolerant Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Fault and Failure and Their Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Modeling Faults and Failures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Fault Detection and Isolation (FDI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Fault Tolerant Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1 Passive Fault Tolerant Control Systems . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Active Fault Tolerant Control Systems . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.3 Control Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Integral Sliding Mode Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Problem Statement and Equivalent Control . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.1 Sliding Mode Control Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Reachability Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 A Simple Simulation Example. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.1 Spring Mass Damper System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.2 Simulation Objective and SMC Design. . . . . . . . . . . . . 23
2.4.3 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5 Practical Sliding Mode Control Law. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6 Properties of the Sliding Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 Integral Sliding Mode Control (ISMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7.2 Problem Statement and ISM Controller Design . . . . . . . 28
2.7.3 Design Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.7.4 Integral Switching Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.7.5 Integral Sliding Mode Control Laws. . . . . . . . . . . . . . . 31
2.7.6 The Reachability Condition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
xiii
2.7.7 Properties of Integral Sliding Mode . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.7.8 Simulation Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.8 Sliding Modes as a Candidate for FTC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.9 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 Design and Analysis of an Integral Sliding Mode Fault
Tolerant Control Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 System Description and Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Integral Sliding Mode Controller Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.1 Integral-Type Switching Surface Design . . . . . . . . . . . . 44
3.2.2 Closed-Loop Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.3 Integral Sliding Mode Control Laws. . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.4 Design of the Controller Gains . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.1 Sliding Mode Fault Reconstruction Scheme. . . . . . . . . . 54
3.3.2 Manoeuvre and Fault Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4 A Fault Tolerant Direct Control Allocation Scheme
with Integral Sliding Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1 Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2 Integral Sliding Mode FTC Scheme with Direct Control
Allocation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.1 Design of Feedback Gain F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4 Nonlinear Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.6 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5 An Output Integral Sliding Mode FTC Scheme
Using Control Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1 Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 ISM Controller Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2.1 Closed-Loop Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2.2 LMI Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.2.3 ISM Control Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.3.1 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.5 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
xiv Contents
6 An Augmentation Scheme for Fault Tolerant Control
Using Integral Sliding Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.1 System Description and Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2 Integral Sliding Mode Controller Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.2.1 Stability Analysis of the Closed-Loop Sliding
Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.2.2 Integral Sliding Mode Control Laws. . . . . . . . . . . . . . . 111
6.3 Case Study: Yaw Damping of a Large Transport Aircraft . . . . . . 113
6.3.1 Baseline Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.3.2 Fault Tolerant Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.3.3 Nonlinear Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.5 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7 Nonlinear Integral Sliding Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.1 Nonlinear Aircraft Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.1.1 Strict Feedback Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2 Control Law Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.2.1 Nominal Backstepping Control Law. . . . . . . . . . . . . . . 128
7.2.2 Control Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2.3 Integral Sliding Mode Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.3 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.3.1 RECOVER Benchmark Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.3.2 Outer-Loop Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.5 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8 Linear Parameter Varying FTC Scheme Using Integral
Sliding Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.1 Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.2 Integral Sliding Mode Controller Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
8.2.1 Design of Integral Switching Function . . . . . . . . . . . . . 152
8.2.2 Closed-Loop Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.2.3 ISM Control Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
8.2.4 Design of the State Feedback Gain . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.3 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
8.3.1 Control Design Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
8.3.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.5 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Contents xv
9 Real-Time Implementation of an ISM Fault Tolerant
Control Scheme on the SIMONA Flight Simulator . . . . . . . . . . . . . 169
9.1 SIMONA Research Simulator (SRS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
9.2 Design and SRS Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.2.1 SRS Implementation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.3 SRS Piloted Evaluation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
9.3.1 Fault-Free . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
9.3.2 Elevator Jam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
9.3.3 Stabiliser Runaway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.3.4 Pilot Feedback. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9.5 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Appendix A: Benchmark Model of Large Transport Aircraft . . . . . . . . 181
Appendix B: Closed-Loop Stability and Feedback Gain Synthesis. . . . . 189
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

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mr.jackjiang 发表于 2017-9-4 05:48:39

thank you for sharing

璀璨星空 发表于 2017-10-26 13:05:04

谢谢分享。

oygx210 发表于 2018-4-23 23:30:23

谢谢

password@5146 发表于 2018-7-22 12:05:08

感谢大神分享！

御锋 发表于 2018-8-6 09:51:59

好书

sanheiliu 发表于 2018-11-23 14:50:06

谢谢雷锋同志！

真空能 发表于 2018-12-3 19:38:04

非常好！非常感谢！

自动控制火龙果 发表于 2019-3-18 16:44:25

谢谢分享

rzw 发表于 2019-4-13 14:55:34

非常的不错   
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