Реконфигурация управления

Реконфигурации управления является активным подходом в теории управления для достижения отказоустойчивого управления для динамических систем . ^[1] Он используется, когда серьезные неисправности , такие как выход из строя привода или датчика, вызывают разрыв контура управления , который необходимо реструктурировать, чтобы предотвратить отказ на уровне системы. В дополнение к реструктуризации контура, параметры контроллера должны быть скорректированы, чтобы приспособиться к измененной динамике установки. Реконфигурация управления - это строительный блок для повышения надежности систем при управлении с обратной связью . ^[2]

Проблема с реконфигурацией [ править ]

Принципиальная схема типовой 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 изменяет контур управления для достижения целей управления, несмотря на неисправность.

Моделирование неисправностей [ править ]

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

Номинальная линейная модель завода

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

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

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

где нижний индекс указывает на то, что система неисправна. Этот подход моделирует мультипликативные неисправности с помощью модифицированных системных матриц. В частности, сбои исполнительного механизма представлены новой матрицей входов , сбои датчиков представлены картой выходов , а внутренние сбои объекта представлены системной матрицей .${\ displaystyle f}$${\ displaystyle \ mathbf {B} _ {f}}$${\ displaystyle \ mathbf {C} _ {f}}$${\displaystyle \mathbf {A} _{f}}$

В верхней части рисунка показан контрольный контур, состоящий из обнаружения и изоляции неисправностей (FDI) и реконфигурации, которая изменяет контур на

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

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 неисправности как дополнительный внешний сигнал, влияющий на производные состояния и выходы следующим образом:${\displaystyle \mathbf {f} }$

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

Цели реконфигурации [ править ]

Целью реконфигурации является поддержание характеристик реконфигурированного контура управления, достаточных для предотвращения остановки предприятия. Различают 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 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 эталонных 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, таких как достижение равновесия-восстановления со стабильностью.

Вопрос о том, можно ли достичь этих или подобных целей для конкретных неисправностей, решается с помощью анализа реконфигурируемости .

Подходы к реконфигурации [ править ]

Скрытие ошибки [ править ]

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

Эта парадигма направлена ​​на то, чтобы номинальный контроллер оставался в курсе событий. Для этого между неисправной установкой и номинальным 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. ^[3]

Линейная модель после [ править ]

Следуя линейной модели, пытаются восстановить формальную особенность номинального замкнутого контура. В классическом псевдообратном методе используется матрица замкнутой системы структуры управления с обратной связью по состоянию. Обнаружено, что новый регулятор аппроксимируется в смысле индуцированной матричной нормы. ^[4]${\displaystyle {\bar {\mathbf {A} }}=\mathbf {A} -\mathbf {B} \mathbf {K} }$${\displaystyle \mathbf {K} _{f}}$${\displaystyle {\bar {\mathbf {A} }}}$

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

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

Схемы управления на основе оптимизации [ править ]

Схемы управления оптимизацией включают: линейно-квадратичный дизайн регулятора (LQR), управление с прогнозированием модели (MPC) и методы присвоения собственной структуры. ^[5]

Вероятностные подходы [ править ]

Разработаны вероятностные подходы. ^[6]

Контроль обучения [ править ]

Есть обучающие автоматы, нейронные сети и др. ^[7]

Математические инструменты и основы [ править ]

Способы реконфигурации значительно различаются. В следующем списке представлен обзор обычно используемых математических подходов. ^[8]

• Адаптивное управление (AC)
• Развязка помех (DD)
• Присвоение собственной структуры (EA)
• Планирование усиления (GS) / линейное изменение параметров (LPV)
• Обобщенная внутренняя модель управления (GIMC)
• Интеллектуальное управление (IC)
• Линейное матричное неравенство (LMI)
• Линейно-квадратичный регулятор (LQR)
• Модель после (MF)
• Прогностический контроль модели (MPC)
• Псевдообратный метод (PIM)
• Надежные методы управления

См. Также [ править ]

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

Адаптация к сбоям - еще один распространенный подход к достижению отказоустойчивости . В отличие от реконфигурации управления, приспособление ограничивается изменениями внутреннего контроллера. Наборы сигналов, которыми манипулирует и измеряет контроллер, являются фиксированными, что означает, что контур не может быть реструктурирован. ^[9]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Бланке, М .; Kinnaert, M .; Lunze, J .; Старосвецкий, М. (2006), Диагностика и отказоустойчивое управление (2-е изд.), Springer
• Стеффен Т. (2005), Реконфигурация управления динамическими системами , Springer
• Старошвецкий, М. (2005), «Отказоустойчивый контроль: пересмотр псевдообратного метода», Материалы 16-го Всемирного конгресса МФБ , Прага, Чешская Республика: МФБ
• Lunze, J .; Rowe-Serrano, D .; Стеффен, Т. (2003), «Реконфигурация управления, продемонстрированная на модели вертолета с двумя степенями свободы», Труды Европейской конференции по управлению (ECC) , Кембридж, Великобритания.
• Maciejowski, J .; Джонс, К. (2003), «Пример использования 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
• Mahmoud, M .; Jiang, J .; Чжан Ю. (2003), Активные отказоустойчивые системы управления - стохастический анализ и синтез , Springer
• Zhang, Y .; 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 отказов и безопасности технических процессов , Кингстон-апон-Халл, Великобритания, стр. 1033–1055
• Раух, HE (1995), "Автономное управление реконфигурация", IEEE Control Systems Magazine , 15 (6): 37-48, DOI : 10,1109 / 37,476385
• Раух, ОН (1994), "Интеллектуальная диагностика и контроль неисправностей реконфигурации", IEEE журнал систем управления , 14 (3): 6-12, DOI : 10,1109 / 37,291462
• Gao, Z .; Antsaklis, PJ (1991), "Устойчивость псевдо-метод обратных для систем управления Реконфигурируемого", Международный журнал Control , 53 (3): 717-729, DOI : 10,1080 / 00207179108953643
• Looze, D .; Weiss, JL; Этерно, JS; Barrett, NM (1985), "автоматический Редизайн подход к системам управления Restructurable", IEEE Control Systems Magazine , 5 (2): 16-22, DOI : 10,1109 / mcs.1985.1104940.
• Эсна Ашари, А .; Хаки Седиг, А .; Yazdanpanah, MJ (2005), "Reconfigurable проектирование системы управления с использованием eigenstructure назначение: статические, динамические и надежные подходы", Международный журнал по контролю , 78 (13): 1005-1016, DOI : 10,1080 / 00207170500241817.