Реконфигурация управления

редактировать

Реконфигурация управления - это активный подход в теории управления для динамических систем. Он используется, когда серьезные неисправности, такие как выход из строя привода или датчика, вызывают разрыв контура управления, который необходимо реструктурировать, чтобы предотвратить отказ при системный уровень. Помимо реструктуризации контура, параметры контроллера должны быть отрегулированы, чтобы приспособиться к измененной динамике объекта. Реконфигурация управления является строительным блоком для повышения надежности систем, находящихся под управлением обратной связи.

Содержание

1 Проблема реконфигурации
- 1.1 Моделирование неисправностей
- 1.2 Цели реконфигурации
2 Подходы к реконфигурации
- 2.1 Скрытие неисправности
- 2.2 Линейная модель в соответствии с
- 2.3 Схемы управления на основе оптимизации
- 2.4 Вероятностные подходы
- 2.5 Управление обучением
3 Математические инструменты и основы
4 См. Также
5 Ссылки
6 Дополнительная литература

Проблема реконфигурации

Принципиальная схема типичной активной отказоустойчивой системы управления. В номинальной, т.е. безотказной ситуации, нижний контур управления работает для достижения целей управления. Модуль обнаружения неисправностей (FDI) контролирует систему с обратной связью для обнаружения и локализации неисправностей. Оценка неисправности передается в блок реконфигурации, который модифицирует контур управления для достижения целей управления, несмотря на неисправность.

Моделирование неисправности

На рисунке справа показана установка, управляемая контроллером в стандартный контур управления.

Номинальная линейная модель завода:

${x ˙ = A x + B uy = C x {\ displaystyle {\ begin {cases} {\ dot {\ mathbf {x}}} = \ mathbf {A} \ mathbf {x} + \ mathbf {B} \ mathbf {u} \\\ mathbf {y} = \ mathbf {C} \ mathbf {x} \ end {case}}}$ $\ begin {cases} \ dot {\ mathbf {x}} = \ mathbf {A} \ mathbf {x} + \ mathbf {B} \ mathbf {u} \\ \ mathbf {y} = \ mathbf {C} \ mathbf {x} \ end {cases}$

Завод, подверженный неисправности (обозначенный красной стрелкой на рисунке), в целом моделируется следующим образом:

${x ˙ f = A fxf + B fuyf = C fxf {\ displaystyle {\ begin {cases} {\ dot {\ mathbf {x}}} _ {f} = \ mathbf {A} _ {f} \ mathbf {x} _ {f} + \ mathbf {B} _ {f} \ mathbf {u} \\\ mathbf {y} _ {f} = \ mathbf {C} _ {f} \ mathbf {x} _ {f} \ end {ases}}}$ $\ begin {cases} \ dot {\ mathbf {x}} _ f = \ mathbf {A} _f \ mathbf {x} _f + \ mathbf {B} _f \ mathbf {u} \\ \ mathbf { y} _f = \ mathbf {C} _f \ mathbf {x} _f \ end {cases}$

где нижний индекс $f {\ displaystyle f}$ $f$ указывает, что система неисправна. Этот подход моделирует мультипликативные неисправности с помощью модифицированных системных матриц. В частности, неисправности привода представлены новой входной матрицей $B f {\ displaystyle \ mathbf {B} _ {f}}$ $\ mathbf {B} _f$ , неисправности датчика представлены выходной картой $C f { \ displaystyle \ mathbf {C} _ {f}}$ $\ mathbf {C} _f$ , а внутренние сбои предприятия представлены системной матрицей $A f {\ displaystyle \ mathbf {A} _ {f}}$ $\mathbf{A}_f$ .

В верхней части рисунка показан контрольный цикл, состоящий из обнаружения и изоляции неисправностей (FDI) и реконфигурации, который изменяет цикл,

выбирая новые входные и выходные сигналы из { $u, y {\ displaystyle \ mathbf {u }, \ mathbf {y}}$ $\ mathbf {u}, \ mathbf {y}$ } для достижения цели управления,
изменение внутренних компонентов контроллера (включая динамическую структуру и параметры),
настройка эталонного входа $w {\ displaystyle \ mathbf {w}}$ $\ mathbf {w}$ .

С этой целью векторы входов и выходов содержат все доступные сигналы, а не только те, которые используются контроллером в безотказной работе.

Альтернативные сценарии могут моделировать сбои как аддитивный внешний сигнал $f {\ displaystyle \ mathbf {f}}$ $\ mathbf {f}$ , влияющий на производные состояния и выходы следующим образом:

${x ˙ е = A xf + B u + E fyf = C fxf + F f {\ displaystyle {\ begin {cases} {\ dot {\ mathbf {x}}} _ {f} = \ mathbf {A} \ mathbf { x} _ {f} + \ mathbf {B} \ mathbf {u} + \ mathbf {E} \ mathbf {f} \\\ mathbf {y} _ {f} = \ mathbf {C} _ {f} \ mathbf {x} _ {f} + \ mathbf {F} \ mathbf {f} \ end {cases}}}$ $\ begin {cases} \ dot {\ mathbf {x}} _ f = \ mathbf {A} \ mathbf {x} _f + \ mathbf {B} \ mathbf {u} + \ mathbf {E} \ mathbf {f} \\ \ mathbf {y} _f = \ mathbf {C} _f \ mathbf {x} _f + \ mathbf {F} \ mathbf {f} \ end {cases}$

Цели реконфигурации

Цель реконфигурации - сохранить реконфигурированный контур управления производительность, достаточная для предотвращения остановки завода. Различают следующие цели:

Стабилизация
Восстановление равновесия
Восстановление выходной траектории
Восстановление траектории состояния
Восстановление переходного времени отклика

Внутреннее стабильность реконфигурированного замкнутого контура обычно является минимальным требованием. Цель восстановления равновесия (также называемая слабой целью) относится к установившемуся выходному равновесию, которого реконфигурированный контур достигает после заданного постоянного входа. Это равновесие должно равняться номинальному равновесию при тех же входных данных (поскольку время стремится к бесконечности). Эта цель обеспечивает постоянное отслеживание опорных значений после реконфигурации. Цель восстановления выходной траектории (также называемая сильной целью) еще более строгая. Это требует, чтобы динамический отклик на вход всегда был равен номинальному отклику. Дальнейшие ограничения накладываются целью восстановления траектории состояния, которая требует, чтобы траектория состояния была восстановлена до номинального значения путем реконфигурации при любом вводе.

Обычно на практике преследуется комбинация целей, например, достижение равновесия-восстановления со стабильностью.

Вопрос о том, могут ли эти или подобные цели быть достигнуты для конкретных неисправностей, решается с помощью анализа реконфигурируемости.

Приближается реконфигурация

Скрытие неисправности

Принцип скрытия неисправности. Между неисправной установкой и штатным контроллером помещается блок реконфигурации. Перенастроенное поведение установки должно соответствовать номинальному. Кроме того, указываются цели реконфигурации.

Эта парадигма направлена на удержание номинального контроллера в петле. Для этого между неисправной установкой и штатным контроллером может быть размещен блок реконфигурации. Вместе с неисправным заводом он образует реконфигурированный завод. Блок реконфигурации должен удовлетворять требованию, чтобы поведение реконфигурированного объекта соответствовало поведению номинального, то есть исправного объекта.

Линейная модель, следующая

В линейной модели, следующей за Попытка восстановить формальную особенность номинального замкнутого контура. В классическом псевдообратном методе матрица замкнутой системы $A ¯ = A - BK {\ displaystyle {\ bar {\ mathbf {A}}} = \ mathbf {A} - \ mathbf {B} \ mathbf Используется {K}}$ $\ bar {\ mathbf {A}} = \ mathbf {A } - \ mathbf {B} \ mathbf {K}$ структуры управления с обратной связью по состоянию. Новый контроллер $K f {\ displaystyle \ mathbf {K} _ {f}}$ $\mathbf{K}_f$ примерно соответствует $A ¯ {\ displaystyle {\ bar {\ mathbf {A}}} }$ $\ bar {\ mathbf {A}}$ в смысле индуцированной матричной нормы.

В идеальном следовании модели вводится динамический компенсатор, позволяющий точно восстановить поведение полного цикла при определенных условиях.

При присвоении собственной структуры номинальные собственные значения замкнутого контура и собственные векторы (собственная структура) восстанавливаются до номинального значения после неисправности.

Схемы управления на основе оптимизации

Схемы управления оптимизацией включают: линейно-квадратичный дизайн регулятора (LQR), управление с прогнозированием модели (MPC) и методы присвоения собственной структуры.

Вероятностные подходы

Разработаны некоторые вероятностные подходы.

Управление обучением

Существуют обучающие автоматы, нейронные сети и т. Д.

Математические инструменты и структуры

Способы перенастройки значительно различаются. В следующем списке представлен обзор обычно используемых математических подходов.

Адаптивное управление (AC)
Развязка помех (DD)
Назначение собственной структуры (EA)
Планирование усиления (GS) / изменение линейных параметров (LPV)
Управление обобщенной внутренней моделью (GIMC)
Интеллектуальное управление (IC)
Неравенство линейной матрицы (LMI)
Линейно-квадратичный регулятор (LQR)
Следование модели (MF)
Прогностический контроль модели (MPC)
Псевдо-обратный метод (PIM)
Надежные методы управления

См. Также

Перед реконфигурацией управления необходимо, по крайней мере, определить, произошла ли неисправность (обнаружение неисправности ), и если да, какие компоненты затронуты (устранение неисправностей ). Желательно предоставить модель неисправной установки (). Эти вопросы решаются с помощью методов диагностики неисправностей.

- еще один распространенный подход к достижению отказоустойчивости. В отличие от реконфигурации управления, приспособление ограничивается изменениями внутреннего контроллера. Наборы сигналов, управляемые и измеряемые контроллером, являются фиксированными, что означает, что контур не может быть реструктурирован.

Ссылки

^(Blanke et al. 2006)
^(Patton 1997)
^(Steffen 2005)
^(Gao Antsaklis 1991) (Staroswiecki 2005)
^(Looze et al. 1985) (Lunze, Rowe-Serrano Steffen 2003) (Esna Ashari, Khaki Sedigh Yazdanpanah 2005) (Maciejowski Jones 2003)
^(Mahmoud, Jiang Zhang 2003)
^(Rauch 1994)
^(Zhang Jiang 2003)
^(Бланке и др. 2006)

Дополнительная литература

Бланке, М.; Киннарт, М.; Лунце, Дж.; Старосвецки, М. (2006), Диагностика и отказоустойчивый контроль (2-е изд.), Springer
Steffen, T. (2005), Реконфигурация управления динамическими системами, Springer
Staroswiecki, M. (2005), «Fault Tolerant Control: The Pseudo-Inverse Method Revisited», Proceedings of the 16th IFAC Всемирный конгресс, Прага, Чешская Республика: IFAC
Lunze, J.; Rowe-Serrano, D.; Steffen, T. (2003), «Реконфигурация управления, продемонстрированная на модели вертолета с двумя степенями свободы», Труды Европейской конференции по контролю (ECC), Кембридж, Великобритания.
Maciejowski, J.; Jones, C. (2003), "Отказоустойчивый полет MPC" ontrol Case Study: Flight 1862 », Протоколы SAFEPROCESS 2003: 5-й симпозиум по обнаружению и безопасности технических процессов, Вашингтон, округ Колумбия, США: IFAC, стр. 265–276
Mahmoud, M.; Jiang, J.; Чжан Ю. (2003 г.), Активные отказоустойчивые системы управления - стохастический анализ и синтез, Springer
Чжан Ю.; Цзян, Дж. (2003), «Библиографический обзор реконфигурируемых отказоустойчивых систем управления», Труды SAFEPROCESS 2003: 5-й симпозиум по обнаружению и безопасности технических процессов, Вашингтон, округ Колумбия, США: IFAC, стр. 265–276
Паттон, Р.Дж. (1997), «Отказоустойчивое управление: ситуация 1997 года», препринты симпозиума МФБ по надзору за обнаружением сбоев и безопасности технических процессов, Кингстон-апон-Халл, Великобритания, стр. 1033–1055
Раух, HE (1995), «Реконфигурация автономного управления», журнал IEEE Control Systems, 15 (6): 37–48, doi : 10.1109 / 37.476385
Rauch, HE (1994), «Интеллектуальная диагностика неисправностей и реконфигурация управления», IEEE Control Systems Magazine, 14 (3): 6–12, doi : 10.1109 / 37.291462
Gao, Z.; Анцаклис, П.Дж. (1991), "Устойчивость псевдообратного метода для реконфигурируемых систем управления", Международный журнал управления, 53 (3): 717–729, doi : 10.1080 / 00207179108953643
Looze, D.; Weiss, J.L.; Eterno, J.S.; Барретт, Н.М. (1985), «Подход к автоматическому изменению конструкции для реструктурируемых систем управления», журнал IEEE Control Systems, 5 (2): 16–22, doi : 10.1109 /mcs.1985.1104940.
Esna Ashari, A.; Хаки Седиг, А.; Yazdanpanah, MJ (2005), «Реконфигурируемое проектирование системы управления с использованием присвоения собственной структуры: статический, динамический и устойчивый подходы», International Journal of Control, 78 (13): 1005–1016, doi : 10.1080 / 00207170500241817.