Реконфигурация управления - Control reconfiguration

Реконфигурация управления это активный подход в теория управления достигать отказоустойчивое управление за динамические системы.^[1] Применяется при тяжелых недостатки, например, сбои привода или датчика, вызывают поломку контур управления, который необходимо реструктурировать, чтобы предотвратить отказ на системном уровне. Помимо реструктуризации петли, контролер параметры должны быть скорректированы, чтобы приспособиться к измененной динамике растений. Реконфигурация управления - это строительный блок к увеличению надежность систем под Обратная связь контроль.^[2]

Проблема реконфигурации

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, чтобы достичь целей управления, несмотря на неисправность.

Моделирование неисправностей

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

Номинальная линейная модель завода

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

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

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

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

В верхней части рисунка показан контрольный цикл, состоящий из обнаружение и изоляция неисправностей (ПИИ) и реконфигурация который изменяет цикл на

1. выбор новых входных и выходных сигналов из {${displaystyle mathbf {u} ,mathbf {y} }$} для достижения контрольной цели,
2. изменение внутреннего устройства контроллера (включая динамическую структуру и параметры),
3. регулируя вход задания ${displaystyle mathbf {w} }$.

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

Альтернативные сценарии могут моделировать неисправности как дополнительный внешний сигнал. ${displaystyle mathbf {f} }$ влияя на производные и выходы состояния следующим образом:

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

Цели реконфигурации

Целью реконфигурации является 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 совпадать с номинальным равновесием 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 достигается сочетание целей, например, достижение равновесия-восстановления со стабильностью.

Вопрос о том, могут ли эти или подобные цели быть достигнуты для конкретных неисправностей, решается реконфигурируемость анализ.

Подходы к реконфигурации

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 то, чтобы номинальный контроллер оставался в курсе событий. 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.^[3]

Следующие линейные модели

Следуя линейной модели, пытаются восстановить формальную особенность номинального замкнутого контура. В классическом псевдообратном методе матрица замкнутой системы ${displaystyle {ar {mathbf {A} }}=mathbf {A} -mathbf {B} mathbf {K} }$ структуры управления с обратной связью по состоянию. Новый контроллер ${displaystyle mathbf {K} _{f}}$ оказывается приблизительно ${displaystyle {ar {mathbf {A} }}}$ в смысле индуцированной матричной нормы.^[4]

В 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 значения после неисправности.

Оптимизационные схемы управления

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

Вероятностные подходы

Разработаны вероятностные подходы.^[6]

Контроль обучения

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

Математические инструменты и основы

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

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

Смотрите также

Перед реконфигурацией управления необходимо как минимум определить, произошла ли неисправность (обнаружение неисправности ) и если да, то какие компоненты будут затронуты (локализация отказов ). Желательно предоставить модель неисправной установки (идентификация неисправности ). На эти вопросы отвечает диагностика неисправностей методы.

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

Рекомендации

1. (Бланке и др. 2006 г. )
2. (Паттон 1997 )
3. (Штеффен 2005 )
4. (Гао и Анцаклис 1991 ) (Старосвецкий 2005 )
5. (Looze et al. 1985 г. )(Лунце, Роу-Серрано и Штеффен, 2003 г. )(Эсна Ашари, Хаки Седиг и Язданпанах 2005 )(Мацейовски и Джонс 2003 )
6. (Махмуд, Цзян и Чжан, 2003 г. )
7. (Раух 1994 )
8. (Чжан и Цзян, 2003 г. )
9. (Бланке и др. 2006 г. )

дальнейшее чтение

• Бланке, М .; Kinnaert, M .; Lunze, J .; Старосвецкий, М. (2006), Диагностика и отказоустойчивый контроль (2-е изд.), Springer
• Штеффен, Т. (2005), Реконфигурация управления динамическими системами, Springer
• Старосвецкий, М. (2005), "Отказоустойчивое управление: возвращение к псевдообратному методу", Материалы 16-го Всемирного конгресса МФБ, Прага, Чешская Республика: IFAC
• Lunze, J .; Rowe-Serrano, D .; Штеффен, Т. (2003), "Реконфигурация управления, продемонстрированная на модели вертолета с двумя степенями свободы", Труды Европейской контрольной конференции (ECC), Кембридж, Великобритания.
• Maciejowski, J .; Джонс, К. (2003), "Пример использования отказоустойчивого управления полетом MPC: рейс 1862", Материалы 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", Материалы 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 неисправностей и безопасности технических процессов, Кингстон-апон-Халл, Великобритания, стр. 1033–1055.
• Раух, Х. Э. (1995), "Реконфигурация автономного управления", Журнал IEEE Control Systems, 15 (6): 37–48, Дои:10.1109/37.476385
• Раух, Х. Э. (1994), "Интеллектуальная диагностика неисправностей и реконфигурация управления", Журнал IEEE Control Systems, 14 (3): 6–12, Дои:10.1109/37.291462
• Gao, Z .; Анцаклис, П.Дж. (1991), "Устойчивость псевдообратного метода для реконфигурируемых систем управления", Международный журнал контроля, 53 (3): 717–729, Дои:10.1080/00207179108953643
• Looze, D .; Weiss, J.L .; Eterno, J.S .; Барретт, Н. М. (1985), "Подход к автоматическому перепроектированию для реструктурируемых систем управления", Журнал IEEE Control Systems, 5 (2): 16–22, Дои:10.1109 / мкс.1985.1104940.
• Эсна Ашари, А .; Хаки Седиг, А .; Язданпанах, М. Дж. (2005 г.), "Проектирование реконфигурируемой системы управления с использованием присвоения собственной структуры: статический, динамический и надежный подходы", Международный журнал контроля, 78 (13): 1005–1016, Дои:10.1080/00207170500241817.