一種欠驅動剛體系統(tǒng)的容錯控制方法及控制系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及自動控制技術領域,尤其涉及一種欠驅動剛體系統(tǒng)的容錯控制方法及 控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 目前大多數(shù)的剛體系統(tǒng)需要設置執(zhí)行器來保持正常運行,當系統(tǒng)中的過多執(zhí)行器 發(fā)生故障時,可能導致系統(tǒng)的狀態(tài)由過驅動或完全驅動變成欠驅動,欠驅動系統(tǒng)是指系統(tǒng) 的獨立控制變量個數(shù)小于系統(tǒng)自由度個數(shù)的一類非線性系統(tǒng),即輸入比要控制的量少的系 統(tǒng)。
[0003] 在實際工程中,欠驅動系統(tǒng)的控制問題會影響到剛體系統(tǒng)的可靠性,但是由于執(zhí) 行器故障信息通常是未知的,即系統(tǒng)是否存在執(zhí)行器故障,哪一個執(zhí)行器發(fā)生故障以及故 障發(fā)生的時間是未知的,不確定的執(zhí)行器故障導致了系統(tǒng)欠驅動特性是不確定的。并且,由 于目前依然缺乏對于這類不確定執(zhí)行器故障導致的不確定欠驅動系統(tǒng)的容錯控制手段,使 得剛體系統(tǒng)的可靠性在很長一段時間內都得不到有效提高。
【發(fā)明內容】
[0004] 本發(fā)明的實施例提供一種欠驅動剛體系統(tǒng)的容錯控制方法及控制系統(tǒng),能夠對于 不確定執(zhí)行器故障導致的不確定欠驅動系統(tǒng)采取容錯控制,從而提高剛體系統(tǒng)的可靠性。
[0005] 為達到上述目的,本發(fā)明的實施例采用如下技術方案:
[0006] 第一方面,本發(fā)明的實施例提供一種欠驅動剛體系統(tǒng)的容錯控制方法,所述方法 用于一種剛體系統(tǒng),所述剛體系統(tǒng)由于執(zhí)行器發(fā)生故障而導致由過驅動或完全驅動系統(tǒng)轉 變?yōu)榍夫寗酉到y(tǒng),所述方法包括:
[0007] 針對所述剛體系統(tǒng)的故障情況設置控制器;
[0008] 針對所述剛體系統(tǒng)的故障情況設置狀態(tài)預測器,并利用所述狀態(tài)預測器獲取所述 剛體系統(tǒng)當前狀態(tài)的誤差信息;
[0009] 根據(jù)所述狀態(tài)誤差信息確定并選取對應于所述剛體系統(tǒng)當前故障情況的控制器, 該控制器能夠實現(xiàn)在對應所述剛體系統(tǒng)當前的故障情況,并用于下閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定維持所述 剛體系統(tǒng)的穩(wěn)定。
[0010] 第二方面,本發(fā)明的實施例提供一種欠驅動剛體系統(tǒng)的容錯控制系統(tǒng),所述系統(tǒng) 用于一種剛體系統(tǒng),所述剛體系統(tǒng)由于執(zhí)行器發(fā)生故障而導致由過驅動或完全驅動系統(tǒng)轉 變?yōu)榍夫寗酉到y(tǒng),所述容錯控制系統(tǒng)包括:
[0011] 狀態(tài)預測器,用于獲取所述剛體系統(tǒng)當前狀態(tài)的誤差信息,并根據(jù)所述狀態(tài)誤差 信息確定并選取對應于所述剛體系統(tǒng)當前故障情況的控制器;
[0012] 所述控制器,對應所述剛體系統(tǒng)當前的故障情況,用于下閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定維持所述 剛體系統(tǒng)的穩(wěn)定用于保證在不確定執(zhí)行器故障情況下,欠驅動剛體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0013] 本發(fā)明實施例提供的欠驅動剛體系統(tǒng)的容錯控制方法及控制系統(tǒng),能夠依據(jù)剛體 系統(tǒng)當前狀態(tài)的誤差信息選取對應于當前故障狀態(tài)的控制器,并通過控制器對處于當前故 障狀態(tài)的剛體系統(tǒng)進行控制。相對于現(xiàn)有技術,本發(fā)明實施例提供了一種對于這類不確定 執(zhí)行器故障導致的不確定欠驅動系統(tǒng)的容錯控制手段,有效解決了處于不確定欠驅動狀 態(tài)的剛體系統(tǒng)容錯控制問題,突破了傳統(tǒng)的欠驅動剛體系統(tǒng)控制設計中假設故障已知的局 限,從而提高了剛體系統(tǒng)的可靠性。
【附圖說明】
[0014] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案,下面將對實施例中所需要使用的 附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例,對于本領 域普通技術人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附 圖。
[0015] 圖1為本發(fā)明實施例提供的系統(tǒng)結構示意圖;
[0016] 圖2為本發(fā)明實施例提供的欠驅動剛體系統(tǒng)的容錯控制方法的流程圖;
[0017] 圖3為本發(fā)明實施例提供的一種容錯控制器實例的示意圖;
[0018] 圖4為本發(fā)明實施例提供的一種狀態(tài)預測器實例的示意圖;
[0019] 圖5為故障情況下系統(tǒng)的執(zhí)行器輸入信號的波形圖;
[0020] 圖6為故障情況下系統(tǒng)的狀態(tài)信號的波形圖;
[0021] 圖7為本發(fā)明實施例提供的一種基于性能函數(shù)選取的控制器標號實例的示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖,對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例,而不是全部的實施例。基于 本發(fā)明中的實施例,本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它 實施例,都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0023] 為使本領域技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案,下面結合附圖和具體實施方 式對本發(fā)明作進一步詳細描述。下文中將詳細描述本發(fā)明的實施方式,所述實施方式的示 例在附圖中示出,其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類 似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的,僅用于解釋本發(fā)明,而不能 解釋為對本發(fā)明的限制。本技術領域技術人員可以理解,除非特意聲明,這里使用的單數(shù)形 式"一"、"一個"、"所述"和"該"也可包括復數(shù)形式。應該進一步理解的是,本發(fā)明的說明 書中使用的措辭"包括"是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件,但是并不排 除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理 解,當我們稱元件被"連接"或"耦接"到另一元件時,它可以直接連接或耦接到其他元件, 或者也可以存在中間元件。此外,這里使用的"連接"或"耦接"可以包括無線連接或耦接。 這里使用的措辭"和/或"包括一個或更多個相關聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。
[0024] 本技術領域技術人員可以理解,除非另外定義,這里使用的所有術語(包括技術 術語和科學術語)具有與本發(fā)明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應 該理解的是,諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術的上下文中的 意義一致的意義,并且除非像這里一樣定義,不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0025] 本發(fā)明實施例提供一種欠驅動剛體系統(tǒng)的容錯控制方法,所述方法用于一種如圖 1所示的剛體系統(tǒng),所述剛體系統(tǒng)由于執(zhí)行器發(fā)生故障而導致由過驅動或完全驅動系統(tǒng)轉 變?yōu)榍夫寗酉到y(tǒng),如圖2所示,該方法包括:
[0026] 101,針對所述剛體系統(tǒng)的故障情況設置控制器。
[0027] 102,針對所述剛體系統(tǒng)的故障情況設置狀態(tài)預測器,并利用所述狀態(tài)預測器獲取 所述剛體系統(tǒng)當前狀態(tài)的誤差信息。
[0028] 103,根據(jù)所述狀態(tài)誤差信息確定并選取對應于所述剛體系統(tǒng)當前故障情況的控 制器。
[0029] 其中,該控制器對應所述剛體系統(tǒng)當前的故障情況,并用于維持所述剛體系統(tǒng)的 穩(wěn)定。在本實施例中,剛體系統(tǒng)的執(zhí)行器的故障信息未知(在本實施例中,執(zhí)行器可以是剛 體系統(tǒng)的轉動飛輪或推力器),以剛體系統(tǒng)具有3個執(zhí)行器為例,剛體系統(tǒng)當前狀態(tài)的可以 表示為:
[0030]
[0031] 其中,%,《2,《3分別表示所述剛體系統(tǒng)在三個正交軸方向上的運行的角速率, 分別表示所述剛體系統(tǒng)的角速率在執(zhí)行器11 1,1!2,1!3分別作用下的動態(tài)變化。比如: 角速率,轉動慣量Ii和控制轉矩U1為剛體系統(tǒng)在方向1上的參數(shù)。,《 = [?i,《2,《3]T表示角速率,I=diag{Ii,12, 13}表示轉動慣量,u=[Upu2,u3]T表示控制轉矩。需要說 明的是,參照上述表達式并結合本領域的公知常識,技術人員可以推導出具有3個以上的 執(zhí)行器故障情況下的剛體系統(tǒng)的狀態(tài)表達式。
[0032] 剛體系統(tǒng)的執(zhí)行器的故障模型為:
[0033]
[0034] 其中\(zhòng)表示所述剛體系統(tǒng)在運行過程中隨機發(fā)生的故障時間,j表示1、2或3中 的某一個數(shù),u,表示可能發(fā)生故障的執(zhí)行器對系統(tǒng)的作用力矩。
[0035] 當剛體系統(tǒng)由于執(zhí)行器發(fā)生故障時,剛體系統(tǒng)的控制信號輸入表示為
[0036] =+ ,即本實施例中針對控制目標所設計的控制信號,作 用于剛體系統(tǒng)的控制輸入。
[0037] 其中¥(1:) = [¥1(1:),¥2(1:),¥3(1:)]1表示控制器的控制信號, 印表示故障向量, 0 ⑴zdiagtojt),〇2(t),〇3(t)},當?shù)趈個執(zhí) 行器發(fā)生故障〇 #) = 1,否則〇 ,(t) = 0。
[0038] 具體的,以剛體系統(tǒng)具有3個執(zhí)行器故障情況為例,控制器可以表示為:
[0039] 針對第一故障情況,所述第一故障情況為所述剛體系統(tǒng)中的執(zhí)行器無故障,〇 u) =diag{0,0,0},ujt) =vjt),i= 1,2,3,所設置的控制器為:
[0040]
[0041] 針對第二故障情況,所述第二故障情況為所述剛體系統(tǒng)中的執(zhí)行器1發(fā)生故障, 0⑵=diag{l,0,0},ui(t) = 0,t彡Ui(t) =Vi(t),i= 2,3,所設置的控制器為:
[0042]
[0043] 針對第三故障情況,所述第三故障情況為所述剛體系統(tǒng)中的執(zhí)行器3發(fā)生故障, 〇 (3) =diag{0,0,1},u3(t) = 0,t彡t3,U; (t) =vjt),i= 1,2,所設置的控制器為:
[0044]
[0045] 其中,A(A_A),A(A_A),A(A_A),控制參數(shù)cu〉0,i= 1, 2,3,(^> 0,i= 1,2,j=l,2〇y0i> 0,人 0聲 0,i= 1,3,E= { 〇(J),j= 1,2,3} 〇 需 要說明的是,參照上述表達式并結合本領域的公知常識,技術人員可以推導出具有3個以 上的執(zhí)行器故障情況下的剛體系統(tǒng)的控制器的表達式。在本實施例