[發明專利]針對離散系統多執行器失效故障的主動容錯預測控制方法

在審

• 申請號: 201811117986.5
• 申請日: 2018-09-19
• 公開（公告）號: CN109085757A
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 楊蒲;疏琪堡;王玉霞
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了針對離散系統多執行器失效故障的主動容錯預測控制方法。考慮離散控制系統多個執行器發生常見的部分失效故障，結合離散滑模觀測器和模型預測控制，提出一種主動容錯控制方法。根據系統的初始狀態模型，考慮到階躍型干擾和誤差，設計加入嵌入式積分器的增廣狀態模型，并以此設計了預測控制律；根據故障模型，設計了二階離散滑模觀測器，檢測出多個執行器故障的失效因子，補償預測控制律，最終構成完整的主動容錯預測控制器。本發明方法通過設計二階滑模觀測器，準確估計出失效因子，利用模型預測控制算法設計了預測控制律，可實現控制律的在線優化，有效提高被控系統的控制精確度，為帶有多執行器失效故障的控制系統提供很好的容錯能力。本發明用于帶有多執行器失效故障的離散系統的主動容錯控制。

技術領域

本發明涉及針對離散系統多執行器失效故障的主動容錯預測控制方法，屬于離散控制系統的容錯控制技術領域。

背景技術

隨著科學技術的飛速發展和航空航天、大型電網、工業自動化等關鍵領域的實際需要不斷提高，離散控制系統的分析設計研究已成為控制理論的一個重要組成部分，除此人們對系統的可靠性和安全性也有著越來越高的要求。由于系統規模大、其所處環境的復雜性以及不可避免的損耗等各種因素，工程系統中的故障威脅無處不在。常用的傳感器、執行器、控制元件等發生故障都會影響系統整體性能的維持，導致系統的失穩等不良狀況，有可能造成人力和財力的巨大損失。在此背景下，能夠及時檢測識別故障的故障診斷技術以及通過調節控制器能使故障系統保持特定性能的容錯控制技術有著重要研究意義。

常見的系統大多存在著多個執行器，多個執行器都有可能發生故障，如何簡單有效地同時檢測出多執行器故障和調節控制器十分重要。除此，系統還常常伴隨有不確定性，包括系統工作環境的影響，如外界干擾等，以及離散系統在建模過程中存在的模型結構和參數等的不確定，所有這些不確定因素都將對離散系統的控制產生影響。因此，探討與研究離散系統在不確定性和多故障下的容錯控制算法，保證系統的可靠性和安全性已成為當前亟待解決的工程應用問題。

近幾十年來，容錯控制成為了控制理論和技術領域研究的熱點和前沿性課題之一，受到了國內外學者的廣泛關注。其研究已經取得了一些成果，比較常用的方法有滑模控制、魯棒控制、預測控制、自適應控制和PID控制等。其中預測控制是一類新型的計算機控制算法，也稱模型預測控制。它采用多步預測、滾動優化和反饋校正等策略對被控系統進行控制，適用于不易建立精確數學模型且比較復雜的系統。預測控制幾乎可以用于任何的控制問題，但在如下一些問題中最顯其優勢：操作變量和被控變量的維數很高；操作變量和被控變量都需要滿足物理約束；控制指標經常變化和/或設備(傳感器/執行器)易出現故障；時滯系統。以此結合對干擾等有良好魯棒性的二階滑模觀測器，能有效實現針對多執行器故障的主動容錯控制。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術，提出針對離散系統多執行器失效故障的主動容錯預測控制方法，設計帶有嵌入式積分器的預測控制算法和對擾動具有魯棒性的二階滑模觀測器，利用故障估計值設計容錯控制律，保障被控對象穩定運行。

技術方案：根據被控對象的離散狀態模型，同時考慮到階躍型干擾和偏置故障，設計加入嵌入式積分器的增廣狀態模型，以此設計了預測控制律，加強系統的魯棒性；在被控對象存在多個執行器失效故障時，根據系統的狀態信息和故障模型，設計二階離散滑模觀測器，能夠快速準確估計出失效因子；失效因子補償校正預測控制律，最終構成主動容錯控制器，使得被控對象在發生多執行器失效故障后能夠繼續穩定運行，包括如下具體步驟：

步驟1)考慮具有一般性的系統離散模型，如式(1)所示：