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《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
《Fault Tolerant Control Schemes Using Integral Sliding Modes》
《Fault Tolerant Control Schemes Using Integral Sliding Modes》
《Fault Tolerant Control Schemes Using Integral Sliding Modes》
《Fault Tolerant Control Schemes Using Integral Sliding Modes》
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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