In this dissertation, design of a reliable control systems is investigated for a class of uncertain linear plants in which disturbances and noises are taken into account as exogenous inputs. The goal of a reliable control system is to retain the stability and hold performance degradation within some allowable prescribed bound despite failures on sensors and/or actuators in the closed-loop system. A decentralized control scheme with two observer-based feedback controllers is developed for such a class of uncertain linear plants to achieve the design objectives. The design problem is to determine the controller parameters so that $H_∞$-norm of the closed-loop system transfer function matrix from exogenous input to regulated variable remains within the pre-specified value. Hence, the resulting closed-loop system is reliable in the sense that the control scheme provides guaranteed stability and $H_∞$-norm bounded performance in the sensor and/or actuator failures as well as in the presence of parameter uncertainties. For this, the controllers are first designed for the uncertain linear plant without consideration of failures in the system, and then, based on the observations that the sensor and/or actuator failures can be another sources of exogenous inputs(unknown inputs) to the closed-loop system, the methodology developed for the normal case when only the parameter uncertainties are considered is extended to the case when the sensor and/or actuator failures are taken into account in the design.
Designing the controllers involves solving two Riccati-like algebraic equations. In this step, some tuning capability is provided in solving the two Riccati-like algebraic equations, which enables us to arbitrarily determine the controller dynamics within the $H_∞$-norm performance bound. Several simulation results illustrate the effectiveness of the reliable designs proposed in the dissertation.
본 학위논문에서는, 교란과 잡음등이 외인성 입력으로 고려된 불확정성 선형플랜트에 대한 신뢰성 제어시스템의 설계 문제를 다룬다. 신뢰성 제어시스템의 목표는 전체시스템 내에서 감지기나 구동기에 고장이 발생하더라도 규정된 허용범위내로 성능 저하를 유지하거나 안정성을 지속시키는 것이다. 설계 목적을 달성하기 위해 불확정성 선형플랜트에 대한 두 개의 관측기 기반 궤환제어기를 이용한 비집중화된 제어 구조를 개발한다. 제어기의 설계 문제는 외인성 입력으로부터 레귤레이트 변수로의 폐회로 시스템 전달함수 행렬의 $H_∞$ 노옴이 이미 규정된 값이내로 유지되도록 제어기 파라미터를 결정하는 것이다. 따라서, 결과적인 전체시스템은 불확정성이 존재할 뿐만아니라 감지기나 구동기 어느 한쪽 또는 모두 고장이 나더라도 보장된 안정성과 규정된 $H_∞$ 노옴 성능 경계를 만족한다는 의미에서 신뢰성이 있다. 이를 위하여 시스템내의 고장을 고려하지 않고 제어기를 설계한 후, 감지기나 구동기의 고장이 전체시스템에서 또하나의 외인성 입력으로 작용됨의 관측을 바탕으로 하여 위의 방법을 감지기 고장만 허용하는 경우, 구동기 고장만 허용하는 경우, 모두의 고장을 허용하는 경우로 확장한다. $H_∞$ 노옴은 강인성 문제나 교란 감쇄 문제 등 많은 방면에서 좋은 성능 평가 도구로 알려져 왔으므로 본 학위논문에서도 이를 이용한다. 제어기 파라미터를 결정하기 위해서는 두 개의 Riccati-like 대수식을 풀어야 한다. 이 때, 튜닝 기능이 제공되므로 $H_∞$ 노옴 성능 경계를 만족하는 범위 내에서 제어기의 동특성을 임의로 결정할 수 있다. 몇가지 모의 실험 결과로부터 본 학위 논문에서 제안한 신뢰성 있는 설계의 유용성을 볼 수 있다.
