[發明專利]一種基于動靜混合策略的故障檢測與重構系統及方法

有效

• 申請號: 201710579467.X
• 申請日: 2017-07-17
• 公開（公告）號: CN107153414B
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發明（設計）人: 郭雷;李文碩;喬建忠;張丹瑤
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種基于動靜混合策略的故障檢測與重構系統及方法，應用于航天器、機電、化工等控制對象的高可靠性控制領域。

背景技術

近年來，隨著工業技術的發展，航天器、機電、化工等領域所涉及的控制任務日益復雜，控制系統的規模也日益龐大，系統中可能發生故障的因素大幅增加，故障類型也日趨多樣，上述趨勢對控制系統的可靠性提出了更高的要求，傳統的故障檢測與容錯控制方法遇到了新的挑戰。以航天器姿態控制系統為例，系統中可能出現的故障因素包括執行機構故障(如飛輪失效或卡死)、傳感器故障(如陀螺儀失效)、通訊故障(如信號中斷或傳輸丟包)、控制芯片故障、電源故障等，以上故障來源不一、類型多樣，輕則會導致航天器姿態控制性能下降，嚴重時則會導致控制系統崩潰，造成難以估量的損失。

傳統的故障檢測方法主要分為兩類，一類是基于假設檢驗的故障檢測方法；另一類是基于觀測器的故障檢測方法。前者通過構造與系統狀態相關的某一統計量，將統計量與某一事先給定的閾值進行比較，若超出該閾值時即判斷故障發生；后者根據系統模型構造狀態觀測器，通過狀態估計的殘差序列判斷是否有故障發生。值得注意的是，現有的故障檢測方法大都未考慮傳感器的運行成本，事實上，控制系統在多數時間里都是出于正常工作的狀態，此時若開啟大量的傳感器將導致一定程度的資源浪費。因此，在尚未檢測出故障時，僅需開啟部分傳感器監視系統行為，當發現疑似故障行為時再開啟更多的傳感器，對故障類型進行準確辨識，并據此進行控制分配和系統重構。

當系統發生故障時，現有的容錯控制方法包括基于魯棒控制的方法和基于自適應控制的方法。其中，基于魯棒控制的方法通過設計魯棒控制器，使得系統無論處于何種故障狀態下都能夠穩定，基于魯棒控制的方法由于采用固定的控制器來應對所有的故障情形，所以不可避免地具有很大的保守性；基于自適應控制的方法通過系統運行狀態的實時辨識，不斷更新控制器參數，該方法可有效降低保守性，但控制器的時變特性給閉環穩定性分析造成了很大的困難。為克服現有容錯控制方法的以上不足，本發明提出了基于模型選擇的故障類型辨識方法，并基于故障類型設計控制分配方案和反饋控制律鎮定閉環系統。

發明內容

本發明的技術解決問題是：針對現有故障檢測與容錯控制方法在故障監視過程中未考慮傳感器配置，導致傳感器資源浪費；且對故障模型信息利用不充分，系統重構方案存在保守性的問題，克服現有技術的不足，提供一種基于動靜混合策略的故障檢測與重構系統及方法，解決在多類可能故障的情形下控制系統的故障監視、檢測、辨識、重構以及閉環系統鎮定問題，在降低傳感器能耗的同時，保證控制系統的可靠性和適應性。

本發明的技術解決方案為：一種基于動靜混合策略的故障檢測與重構系統，如圖2所示，由傳感器調度單元、故障檢測單元、故障類型辨識單元、系統重構單元組成，用于實現控制系統的實時故障檢測與重構，所述控制系統由被控對象、傳感器和反饋控制器組成；控制系統的工作模式包括正常模式和多種故障應對模式；

傳感器調度單元根據控制系統當前的工作模式，對傳感器配置方案進行優化，在保證故障檢測性能的同時，減小能量消耗；故障檢測單元根據傳感器的當前量測信息，判斷控制系統是否出現故障；如果判斷出現故障，則由故障類型辨識單元根據傳感器量測信息進一步辨識故障類型；系統重構單元根據故障類型辨識單元輸出的故障類型對控制系統進行重構；反饋控制器則用于鎮定重構后的控制系統。

本發明的一種基于動靜混合策略的故障檢測與重構方法，包括以下步驟：

第一步，根據控制系統當前工作模式，對傳感器調度單元和故障檢測單元進行聯合優化，確定傳感器配置方案，即哪些傳感器需要開啟，并構造相應的故障檢測方案，使得故障檢測系統能夠滿足所給定故障檢測性能，同時盡量降低傳感器的能量消耗；

第二步，根據第一步所確定的傳感器配置方案和故障檢測方案，故障檢測單元接收傳感器的實時量測信息，判斷當前時刻是否有故障發生，當故障檢測單元判斷有故障發生后，將更新故障標識信號，從而激活故障類型辨識單元，故障類型辨識單元接收到故障標識信號后，將故障檢測系統轉入故障應對模式，即開啟更多傳感器，或以更高頻率采樣，從而獲得更多的關于控制系統運行狀態的信息；故障類型辨識單元根據所獲得的量測信息，通過求解多模型選擇問題，實現故障類型的實時準確辨識；

第三步，系統重構單元根據第二步所辨識得到的故障類型，構造相應的控制分配方案，即利用被控對象的控制冗余度，完成基于控制分配的系統重構，實現多類可能故障情形下控制系統的實時故障檢測與自主重構。