Реконфигурация управления

Реконфигурация управления — это активный подход в теории управления для достижения отказоустойчивого управления динамическими системами . Он используется, когда серьезные неисправности , такие как выход из строя исполнительного механизма или датчика, вызывают разрыв контура управления , который необходимо реструктурировать, чтобы предотвратить сбой на уровне системы. Помимо реструктуризации контура, параметры контроллера должны быть скорректированы с учетом изменившейся динамики установки. Реконфигурация управления является строительным блоком для повышения надежности систем под управлением с обратной связью .

Проблема с реконфигурацией

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

Моделирование разломов

На рисунке справа показана установка, управляемая контроллером в стандартном контуре управления.

Номинальная линейная модель объекта:

${\begin{cases}{\dot {\mathbf {x} }}&=\mathbf {A} \mathbf {x} +\mathbf {B} \mathbf {u} \\\mathbf {y} &=\mathbf {C} \mathbf {x} \end{cases}}$

Объект, подверженный неисправности (обозначен красной стрелкой на рисунке), в целом моделируется формулой

${\begin{cases}{\dot {\mathbf {x} }}_{f}&=\mathbf {A} _{f}\mathbf {x} _{f}+\mathbf {B} _{f}\mathbf {u} \\\mathbf {y} _{f}&=\mathbf {C} _{f}\mathbf {x} _{f}\end{cases}}$

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

В верхней части рисунка показан цикл контроля, состоящий из обнаружения и изоляции неисправностей (FDI) и реконфигурации , которая изменяет контур путем

1. выбор новых входных и выходных сигналов из { $\mathbf {u} ,\mathbf {y}$} для достижения цели управления,
2. изменение внутреннего устройства контроллера (включая динамическую структуру и параметры),
3. настройка опорного входа $\mathbf {w}$.

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

Альтернативные сценарии могут моделировать неисправности как аддитивный внешний сигнал. $\mathbf {f}$ влияние на производные состояния и выпуски следующим образом:

${\begin{cases}{\dot {\mathbf {x} }}_{f}&=\mathbf {A} \mathbf {x} _{f}+\mathbf {B} \mathbf {u} +\mathbf {E} \mathbf {f} \\\mathbf {y} _{f}&=\mathbf {C} _{f}\mathbf {x} _{f}+\mathbf {F} \mathbf {f} \end{cases}}$

Цели реконфигурации

Целью реконфигурации является сохранение производительности реконфигурированного контура управления, достаточной для предотвращения остановки установки. Выделяют следующие цели:

1. Стабилизация
2. Восстановление равновесия
3. Восстановление выходной траектории
4. Восстановление траектории состояния
5. Восстановление переходного времени отклика

Внутренняя стабильность реконфигурированного замкнутого контура обычно является минимальным требованием. Цель восстановления равновесия (также называемая слабой целью) относится к установившемуся равновесию выпуска, которого реконфигурированный цикл достигает после заданного постоянного входа. Это равновесие должно равняться номинальному равновесию при тех же воздействиях (поскольку время стремится к бесконечности). Эта цель обеспечивает устойчивое отслеживание ссылок после реконфигурации. Цель восстановления выходной траектории (также называемая сильной целью) еще более строгая. Это требует, чтобы динамический отклик на входной сигнал всегда был равен номинальному отклику. Дальнейшие ограничения накладываются целью восстановления траектории состояния, которая требует, чтобы траектория состояния была восстановлена ​​до номинального случая путем реконфигурации при любых входных данных.

Обычно на практике преследуется комбинация целей, например, цель восстановления равновесия и стабильности.

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

Подходы

Скрытие неисправности

Принцип сокрытия неисправности. Блок реконфигурации размещается между неисправной установкой и номинальным контроллером. Поведение переконфигурированной установки должно соответствовать номинальному поведению. Кроме того, обозначены цели реконфигурации.

Эта парадигма направлена ​​на поддержание номинального контроллера в курсе. Для этого между неисправной установкой и штатным контроллером можно разместить блок реконфигурации. Вместе с неисправным объектом он образует переконфигурированный объект. Блок реконфигурации должен выполнять требование, чтобы поведение реконфигурируемого объекта соответствовало поведению номинального, то есть безотказного объекта.

Линейная модель после

В следующей линейной модели делается попытка восстановить формальную особенность номинального замкнутого контура. В классическом псевдообратном методе матрица замкнутой системы ${\bar {\mathbf {A} }}=\mathbf {A} -\mathbf {B} \mathbf {K}$ используется структура управления с обратной связью по состоянию. Новый контроллер $\mathbf {K} _{f}$ оказывается приближенным ${\bar {\mathbf {A} }}$ в смысле индуцированной матричной нормы.

При идеальном следовании модели вводится динамический компенсатор, позволяющий точно восстановить поведение всего контура при определенных условиях.

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

Схемы управления на основе оптимизации

Оптимизационные схемы управления включают в себя: линейно-квадратичный расчет регулятора (LQR), модельно-прогностическое управление (MPC) и методы задания собственной структуры.

Вероятностные подходы

Были разработаны некоторые вероятностные подходы.

Контроль обучения

Есть обучающиеся автоматы, нейронные сети и т.д.

Математические инструменты и структуры

Методы, с помощью которых достигается реконфигурация, существенно различаются. В следующем списке представлен обзор часто используемых математических подходов.

• Адаптивное управление (AC)
• Развязка помех (DD)
• Назначение собственной структуры (EA)
• Планирование усиления (GS)/линейное изменение параметров (LPV)
• Обобщенный внутренний контроль моделей (GIMC)
• Интеллектуальное управление (IC)
• Линейное матричное неравенство (LMI)
• Линейно-квадратичный регулятор (LQR)
• Следование модели (MF)
• Модель прогнозирующего управления (MPC)
• Псевдообратный метод (ПИМ)
• управления Надежные методы

См. также

Перед реконфигурацией управления необходимо как минимум определить, произошла ли неисправность ( обнаружение неисправности ), и если да, то какие компоненты затронуты ( изоляция неисправности ). Предпочтительно должна быть предоставлена ​​модель неисправного объекта ( идентификация неисправности ). Эти вопросы решаются методами диагностики неисправностей .

Адаптация к сбоям является еще одним распространенным подходом к обеспечению отказоустойчивости . В отличие от реконфигурации управления, приспособление ограничивается изменениями внутреннего контроллера. Наборы сигналов, которыми управляет и измеряет контроллер, фиксированы, а это означает, что контур не может быть реструктурирован.

Дальнейшее чтение

• Бланке, М.; Киннарт, М.; Лунце, Дж.; Старосвецкий, М. (2006), Диагностика и отказоустойчивое управление (2-е изд.), Springer
• Стеффен, Т. (2005), Реконфигурация управления динамическими системами , Springer
• Старосвецки, М. (2005), «Отказоустойчивое управление: новый взгляд на псевдообратный метод», Материалы 16-го Всемирного конгресса IFAC , Прага, Чехия: IFAC
• Лунце, Дж.; Роу-Серрано, Д.; Штеффен, Т. (2003), «Реконфигурация управления, продемонстрированная на модели вертолета с двумя степенями свободы», Труды Европейской конференции по управлению (ECC) , Кембридж, Великобритания. {{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
• Мацеевски, Дж.; Джонс, К. (2003), «Пример отказоустойчивого управления полетом MPC: рейс 1862», Труды SAFEPROCESS 2003: 5-й симпозиум по обнаружению и безопасности технических процессов , Вашингтон, округ Колумбия, США: IFAC, стр. 265–276.
• Махмуд, М.; Цзян, Дж.; Чжан Ю. (2003), 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), «Отказоустойчивый контроль: ситуация 1997 года», Препринты симпозиума МФБ по надзору за обнаружением неисправностей и безопасности технических процессов , Кингстон-апон-Халл, Великобритания, стр. 1033–1055. {{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
• Раух, HE (1995), «Реконфигурация автономного управления», журнал IEEE Control Systems Magazine , 15 (6): 37–48, doi : 10.1109/37.476385
• Раух, HE (1994), «Интеллектуальная диагностика неисправностей и реконфигурация управления», журнал IEEE Control Systems Magazine , 14 (3): 6–12, doi : 10.1109/37.291462 , S2CID   39931526
• Гао, З.; Анцаклис, П.Дж. (1991), «Устойчивость псевдообратного метода для реконфигурируемых систем управления», International Journal of Control , 53 (3): 717–729, doi : 10.1080/00207179108953643
• Луз, Д.; Вайс, Дж.Л.; Этерно, Дж.С.; Барретт, Нью-Мексико (1985), «Подход к автоматическому перепроектированию реструктурируемых систем управления», журнал IEEE Control Systems Magazine , 5 (2): 16–22, doi : 10.1109/mcs.1985.1104940 , S2CID   12684489 .
• Эсна Ашари, А.; Хаки Седиг, А.; Язданпанах, MJ (2005), «Проектирование реконфигурируемой системы управления с использованием назначения собственной структуры: статический, динамический и устойчивый подходы», International Journal of Control , 78 (13): 1005–1016, doi : 10.1080/00207170500241817 , S2CID   121350006 .