[发明专利]针对离散系统多执行器失效故障的主动容错预测控制方法

说明书

本发明公开了针对离散系统多执行器失效故障的主动容错预测控制方法。考虑离散控制系统多个执行器发生常见的部分失效故障，结合离散滑模观测器和模型预测控制，提出一种主动容错控制方法。根据系统的初始状态模型，考虑到阶跃型干扰和误差，设计加入嵌入式积分器的增广状态模型，并以此设计了预测控制律；根据故障模型，设计了二阶离散滑模观测器，检测出多个执行器故障的失效因子，补偿预测控制律，最终构成完整的主动容错预测控制器。本发明方法通过设计二阶滑模观测器，准确估计出失效因子，利用模型预测控制算法设计了预测控制律，可实现控制律的在线优化，有效提高被控系统的控制精确度，为带有多执行器失效故障的控制系统提供很好的容错能力。本发明用于带有多执行器失效故障的离散系统的主动容错控制。

技术领域

本发明涉及针对离散系统多执行器失效故障的主动容错预测控制方法，属于离散控制系统的容错控制技术领域。

背景技术

随着科学技术的飞速发展和航空航天、大型电网、工业自动化等关键领域的实际需要不断提高，离散控制系统的分析设计研究已成为控制理论的一个重要组成部分，除此人们对系统的可靠性和安全性也有着越来越高的要求。由于系统规模大、其所处环境的复杂性以及不可避免的损耗等各种因素，工程系统中的故障威胁无处不在。常用的传感器、执行器、控制元件等发生故障都会影响系统整体性能的维持，导致系统的失稳等不良状况，有可能造成人力和财力的巨大损失。在此背景下，能够及时检测识别故障的故障诊断技术以及通过调节控制器能使故障系统保持特定性能的容错控制技术有着重要研究意义。

常见的系统大多存在着多个执行器，多个执行器都有可能发生故障，如何简单有效地同时检测出多执行器故障和调节控制器十分重要。除此，系统还常常伴随有不确定性，包括系统工作环境的影响，如外界干扰等，以及离散系统在建模过程中存在的模型结构和参数等的不确定，所有这些不确定因素都将对离散系统的控制产生影响。因此，探讨与研究离散系统在不确定性和多故障下的容错控制算法，保证系统的可靠性和安全性已成为当前亟待解决的工程应用问题。

近几十年来，容错控制成为了控制理论和技术领域研究的热点和前沿性课题之一，受到了国内外学者的广泛关注。其研究已经取得了一些成果，比较常用的方法有滑模控制、鲁棒控制、预测控制、自适应控制和PID控制等。其中预测控制是一类新型的计算机控制算法，也称模型预测控制。它采用多步预测、滚动优化和反馈校正等策略对被控系统进行控制，适用于不易建立精确数学模型且比较复杂的系统。预测控制几乎可以用于任何的控制问题，但在如下一些问题中最显其优势：操作变量和被控变量的维数很高；操作变量和被控变量都需要满足物理约束；控制指标经常变化和/或设备(传感器/执行器)易出现故障；时滞系统。以此结合对干扰等有良好鲁棒性的二阶滑模观测器，能有效实现针对多执行器故障的主动容错控制。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出针对离散系统多执行器失效故障的主动容错预测控制方法，设计带有嵌入式积分器的预测控制算法和对扰动具有鲁棒性的二阶滑模观测器，利用故障估计值设计容错控制律，保障被控对象稳定运行。

技术方案：根据被控对象的离散状态模型，同时考虑到阶跃型干扰和偏置故障，设计加入嵌入式积分器的增广状态模型，以此设计了预测控制律，加强系统的鲁棒性；在被控对象存在多个执行器失效故障时，根据系统的状态信息和故障模型，设计二阶离散滑模观测器，能够快速准确估计出失效因子；失效因子补偿校正预测控制律，最终构成主动容错控制器，使得被控对象在发生多执行器失效故障后能够继续稳定运行，包括如下具体步骤：

步骤1)考虑具有一般性的系统离散模型，如式(1)所示：