《Fault Detection and Fault-Tolerant Control Using Sliding Modes》

请叫我雷锋 · 发表于 2017-9-2 15:52:11

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《Fault Detection and Fault-Tolerant Control Using Sliding Modes》
基于滑动模态的故障检测与容错控制
作者：
Halim Alwi
Christopher Edwards
Chee Pin Tan
出版社：Springer
出版时间：2011年

《Fault Detection and Fault-Tolerant Control Using Sliding Modes》

目录
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 MotivationforFaultTolerantControlSystems . . . . . . . . . . . 2
1.2 Sliding Modes for FTC and FDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Fault Tolerant Control and Fault Detection and Isolation . . . . . . . 7
2.1 Faults andFailures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Fault Tolerant Control: General Overview . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 FaultTolerantControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.1 Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.2 Switching or Blending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.3 Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.4 Control Signal Redistribution . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.5 Robust Control (H∞ Control) . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 FaultDetectionandIsolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.1 Residual-Based FDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.2 Fault Identification and Reconstruction . . . . . . . . . . . 24
2.5.3 ParameterEstimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.4 Non-model-Based FDI (Intelligent FDI) . . . . . . . . . . 26
2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 First-Order Sliding Mode Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.1 RegularForm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.2 Properties of the Sliding Mode . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2 A Simple Example: Pendulum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.1 Simulations andResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.2 APracticalControlLaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Unit Vector Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Analysis of Stability for the Closed-Loop System . . . . . 41
3.3.2 The Unit Vector Pseudo Sliding Term . . . . . . . . . . . . 42
xix
xx Contents
3.4 Designof theSlidingSurface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.1 Quadratic Minimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5 Design of a Controller with a Tracking Requirement . . . . . . . . 44
3.5.1 Integral Action Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5.2 Model-Reference Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.6 Sliding Modes for Fault Tolerant Control . . . . . . . . . . . . . . 49
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.8 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4 Sliding Mode Observers for Fault Detection . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 TheUtkinObserver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.1 Properties of the Sliding Motion . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.2 AnExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.3 Disturbance Rejection Properties . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.4 Pseudo-sliding by Smoothing the Discontinuity . . . . . . 63
4.2.5 A Modification to Include a Linear Term . . . . . . . . . . 64
4.3 The Edwards–Spurgeon Observer for Fault Reconstruction . . . . 67
4.3.1 Observer Formulation and Stability Analysis . . . . . . . . 69
4.3.2 Reconstruction of Actuator Faults . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4 LMI Design Methodologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4.1 Software Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.5 Robust Fault Reconstruction using Sliding Mode Observers . . . . 75
4.5.1 Robust Actuator Fault Reconstruction . . . . . . . . . . . . 79
4.5.2 Example: VTOL Aircraft Model . . . . . . . . . . . . . . 84
4.6 ObserverVariation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.7 ComparisonswithUIOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.7.1 ComparisonBasedonaCraneSystem . . . . . . . . . . . 92
4.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.9 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5 Robust Fault Reconstruction using Observers in Cascade . . . . . . 99
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 The Robust Fault Reconstruction Scheme . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2.1 DesignAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3 Existence Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3.1 OverallCoordinateTransformation . . . . . . . . . . . . . 111
5.3.2 Proof of Theorem 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3.3 Stability of the Reduced Order Sliding Modes . . . . . . . 119
5.4 DesignExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.4.1 DesignofObservers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.4.2 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.6 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6 Reconstruction of Sensor Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Contents xxi
6.2 Sensor Fault Reconstruction Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.2.2 Reconstruction in the Steady-State . . . . . . . . . . . . . 131
6.2.3 Dynamic Sensor Fault Reconstruction . . . . . . . . . . . 132
6.2.4 Reconstructions for Unstable Systems . . . . . . . . . . . 135
6.3 Robust Sensor Fault Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.3.1 AnExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.4 Reconstruction in Non-minimum Phase Systems . . . . . . . . . . 149
6.4.1 MainResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.4.2 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.6 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7 Case Study: Implementation of Sensor Fault
Reconstruction Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.1 ApplicationtoaCrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.1.1 Modelling of the Crane System . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.1.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.2 ApplicationtoaDCMotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.2.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.2.2 Descriptionof theMotorSet-up . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.2.3 Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.2.4 ObserverDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.2.5 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.2.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.4 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
8 Adaptive Sliding Mode Fault Tolerant Control . . . . . . . . . . . . 187
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.2 ActuatorFaultTolerantControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
8.2.1 SlidingModeControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.2.2 Sliding Mode Hyperplane Design . . . . . . . . . . . . . . 196
8.3 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.3.1 Fault-FreeSimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.3.2 Changes in Effectiveness Gain . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.3.3 TotalElevatorFailureSimulations . . . . . . . . . . . . . 203
8.3.4 TotalElevatorFailurewithWindandGusts . . . . . . . . . 206
8.3.5 Combined Loss of Effectiveness and Elevator Failure . . . 207
8.4 Sensor Fault Tolerant Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.4.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.4.2 Closed-LoopAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.5 Robust Sensor Fault Reconstruction for the B747 . . . . . . . . . . 214
8.6 Sensor Fault Tolerant Control Simulation Results . . . . . . . . . . 217
8.6.1 Fault-FreeSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
8.6.2 Fault Simulations: FDI Switched Off . . . . . . . . . . . . 219
xxii Contents
8.6.3 Fault Simulation: FDI Switched On . . . . . . . . . . . . . 219
8.6.4 Fault Simulations with Sensor Noise . . . . . . . . . . . . 221
8.6.5 ThresholdSelection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.8 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9 Fault Tolerant Control with Online Control Allocation . . . . . . . . 225
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9.2 ControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9.2.1 ProblemFormulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.2.2 Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
9.2.3 SlidingModeControlLaws . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.3 The Effect of Non-perfect Fault Reconstruction . . . . . . . . . . . 235
9.4 SlidingModeDesignIssues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
9.5 ADMIRESimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.5.1 ControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.5.2 ActuatorFaultEstimationUsinganObserver . . . . . . . . 242
9.5.3 ADMIRE:SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.7 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
10 Model-Reference Sliding Mode FTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.2 OnlineControlAllocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
10.2.1 Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.2.2 ASlidingModeControlLaw . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.3 FixedControlAllocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.3.1 ASlidingModeControlLaw . . . . . . . . . . . . . . . . 259
10.4 Adaptive Reference Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
10.5 ADMIRESimulations:OnlineControlAllocation . . . . . . . . . 263
10.5.1 ControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
10.5.2 Actuator Fault Estimation Using Least Squares . . . . . . . 265
10.5.3 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
10.6 ADMIRESimulations:FixedControlAllocation . . . . . . . . . . 266
10.6.1 ControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
10.6.2 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
10.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.8 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
11 SIMONA Implementation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
11.2 Test Facilities (SIMONA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
11.2.1 TheSIMONAResearchSimulator . . . . . . . . . . . . . 272
11.2.2 Benchmark V2.2—FTLAB747 V6.5/7.1/2006b . . . . . . 274
11.3 ControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.3.1 LateralControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.3.2 LongitudinalControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . 278
Contents xxiii
11.4 SIMONAImplementations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11.5.1 NoFault . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11.5.2 Actuator Effectiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
11.5.3 Stabiliser Runaway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
11.5.4 Elevator JamwithOffset . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
11.5.5 AileronJamwithOffset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.5.6 Rudder Missing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.5.7 Rudder Runaway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
11.7 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
12 Case Study: ELAL Bijlmermeer Incident . . . . . . . . . . . . . . . 291
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
12.2 ELAL Flight 1862: The Incident . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
12.3 ELAL Flight 1862: Aircraft Damage Analysis . . . . . . . . . . . 294
12.3.1 ELAL Flight 1862: Controllability and Performance . . . . 297
12.4 ControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
12.4.1 LateralControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
12.4.2 LongitudinalControllerDesign . . . . . . . . . . . . . . . 302
12.5 SIMONAImplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.5.1 ILS Landing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
12.6 PilottedSIMONAFlightSimulatorResults . . . . . . . . . . . . . 307
12.6.1 ClassicalController . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
12.6.2 SMCController . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
12.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
12.8 Notes and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
13 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

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