摘 要

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 三容水箱研究现状 1

1.2.2 容错控制研究现状 1

1.3 课题研究内容 2

第2章 三容水箱建模分析 3

2.1 三容水箱硬件结构 3

2.2 一阶对象 3

2.2.1 一阶对象的结构 3

2.2.2 一阶对象的建模 4

2.3 二阶对象 5

2.3.1 二阶对象的结构 5

2.3.2 二阶对象的建模 6

2.4 三阶对象 7

2.4.1 三阶对象结构 7

2.4.2 三阶水箱建模 7

2.5 模型参数估计 8

2.5.1 系统辨识 8

2.5.2 递推最小二乘法 9

第3章 三容水箱液位控制算法研究 12

3.1 PID控制 12

3.2 解耦控制 13

3.2.1 解耦控制系统设计 13

3.2.2 解耦的方法 13

3.3 三容水箱液位控制 14

3.3.1 三容水箱的系统的参数辨识 14

3.3.2 液位控制仿真 15

第4章 容错控制 17

4.1 算法介绍 17

4.2 算法模型 17

4.2.1 二阶系统 17

4.2.2 高阶系统 18

4.3 算法应用 19

第5章 仿真结果分析 21

5.1 无故障时的仿真 22

5.2 有故障时的仿真 23

5.3 结果分析 24

第6章 结论 25

参考文献 26

致谢 27

摘 要

本文旨在研究系统的容错控制，在系统发生故障时，仍然能够保持原有的系统状态。它能够提高系统的安全性和可靠性，是控制领域的一种新方法。容错控制的研究可以应用于航空、火箭等领域，有重大的指导意义。

本文以三容水箱为研究对象，对一阶、二阶、单入单出、双入双出系统进行了建模分析，根据其建模结果，设计了液位控制算法，这里采用了PID解耦控制，能够有效的使液位保持稳定。在水箱系统稳定状态下，进行了超螺旋控制算法的研究，该算法可以使系统的状态量在有限时间内收敛，保持在原有的状态值。通过建立三容水箱的状态方程，并加入超螺旋控制器，然后设置执行器故障，并将其在simulink中搭建仿真，得到系统在故障下，仍然能够保持稳定的结论。

研究结果表明：容错控制可以有效的应用于三容水箱系统，并且容错控制算法得到了验证。

关键词：容错控制；PID解耦控制；有限时间收敛；超螺旋控制算法；滑模控制算法

Abstract

This thesis aims to study the fault-tolerant control of the system, when the system occurs faults, it is still able to maintain the original system status. It can improve the security and reliability of the system, and it is a new method in the field of control. The research of fault-tolerant control can be applied in the fields of aviation and rocket, and it has great guiding significance.

This thesis researches the three-tank as the object, modeling and analysing the first order, second orders, SISO, MIMO system. to the modeling results, the liquid level control algorithm is designed . This paper uses a PID Decoupling Control, and it can effectively keep the level. In the steady state, the super-twisting control algorithm is studied. The algorithm can make the states of the system converge in finite time and keep in the original states. First the state equation of the three-tank system is established and design a super-twisting controller, then we set the actuator fault and build the simulation in Simulink.So after thefaults, system still can maintain a stable state.

The research results show that the fault-tolerant control can be effectively applied to the three tank water tank system, and the fault-tolerant control algorithm is verified.

Key Words：Fault-tolerant control; PID decoupling control; Finite-time-convergent; super-twisting control algorithm; sliding mode control algorithm

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

自工业革命之后，大机器时代到来，人们对于复杂系统的探索越来越深，同时，随着生产的扩大化，对于系统的自动化水平要求也越来预高。如今在很多高新技术领域，如航天航空、高铁、化工厂、核电站等，其系统复杂性大大提高，人们对于这些领域也投入大量的资金，所以对于系统的要求越来越高。在这些领域内，要尽可能的提高系统的可靠性、可维修性和有效性。因为一旦发生故障或失误，将会造成无法挽回的损失。“切尔诺贝利”核电站事故和“挑战者”号航天飞机的失事就是对于系统控制出现问题造成了巨大的损失，所以对于这种大型复杂系统而言必须引入容错控制和故障检测系统。容错控制和故障检测与诊断技术使系统的可靠性、可维修性和有效性进一步提高。一旦系统出现问题，系统的容错控制就会起作用，使系统在有故障的情况下，仍然能够保持系统的正常运行。总结而言，容错控制可以使系统更好的运行，保证生产过程安全进行。

同时，传统反馈控制方法已不能满足故障系统的性能要求。所以必须研究更先进的控制方法来满足现阶段的要求，使被控对象在故障情况下仍然能够保持正常的运行结果。所以容错控制得到很好的发展。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 三容水箱研究现状

三容水箱系统的开发和研究有很重要的作用，在国外就有很多关于三容水箱的研究，德国Amira自动化公司开发的水箱系统应用广泛，它是著名的智能实验设备，在我国很多所大学都引进了该系统，可以通过该系统进行学习并可以用于各种先进控制算法的研究，有很好的实践意义。由于三容水箱是多输入多输出系统，所以国内外很多关于故障诊断以及容错控制^[1]的研究都是以三容水箱为实验主体的。现阶段很多算法研究都是以三容水箱为基础的，如预测控制^[2]、神经网络算法研究^[3]、模糊控制算法^[4]等等，通过各种算法的研究，可以将其应用到其他领域，如航空、火箭等高端领域，对于学术研究应用有很大的意义。

1.2.2 容错控制研究现状

在实际的控制系统中，经常会出现一些无法预料的错误，如传感器失效、执行器故障等。所以，必须研究出一种容错控制系统，在发生故障的时候仍然能够使系统正常运行，对系统故障有较强的鲁棒性。