PDF《第31 卷第 4 期》

第31 卷第

4 期2014 年4月控制理论与应用Control Theory &

Applications Vol.

31 No.

4 Apr.

2014 H∞容容容错 错 错控 控 控制 制 制器 器 器设 设 设计 计 计及 及 及其 其 其在 在 在线 线 线优 优 优化 化 化选 选 选择 择 择容 容 容错 错 错控 控 控制 制制DOI: 10.7641/CTA.2014.30103 余臻1 , 刘利军1? , 沈毅2 (1. 厦门大学 信息科学与技术学院, 福建 厦门 361005;

2. 哈尔滨工业大学 控制科学与工程系, 黑龙江 哈尔滨 150001) 摘要: 本文设计了主动H∞容错控制器及其在线优化选择的多种容错控制策略, 并且构造了 离线设计在线选择 容 错控制模式下故障模式与容错控制器的多对多映射关系. 首先, 提出了针对给定故障模型的H∞容错控制器设计方法, 离线设计了可恢复故障模式的容错控制器;

其次, 根据不同的需求, 设计了3种方法缩小故障模式与容错控制器的所有 可容错映射关系;

然后, 提出了4种主动容错控制器在线优化选择策略来满足不同的优化需求, 提高容错控制性能;

最后, 仿真验证了所提出的主动H∞容错控制器及在线优化选择策略的有效性. 关键词: 容错控制系统;

在线选择策略;

H∞控制;

Markov故障模型 中图分类号: TP273 文献标识码: A Active H∞ fault-tolerant control design and online optimal selection schemes of fault-tolerant controllers YU Zhen1, LIU Li-jun1?, SHEN Yi2 (1. School of Information Science and Engineering, Xiamen University, Xiamen Fujian 361001, China;

2. Department of Control Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150001, China) Abstract: This paper proposes an active H∞ fault-tolerant control and optimal schemes for selecting a controller on- line, and constructs many-to-many mappings between fault modes and controllers under the off-line design, online se- lection fault-tolerant structure. According to the speci?c fault model, the active H∞ fault-tolerant control is designed off-line for every recoverable fault mode. Then, three methods are presented to shrink all fault-tolerant mappings between fault modes and fault-tolerant controllers for different requirements. As a result, four selection schemes are proposed to choose a proper controller from a given set of controllers for a given fault mode. These four selections are designed for different requirements to improve the fault-tolerant performances of systems. Finally, a simulation is performed to illustrate and validate the effectiveness of the active H∞ fault-tolerant controllers and the selection schemes. Key words: fault-tolerant control system;

online selection scheme;

H∞ control;

Markov fault model

1 引引引言 言言(Introduction) 随着现代系统越来越复杂而且对控制系统的安全 性、 可靠性的要求越来越高, 设计具有容错控制能力 的控制系统得到了学术界和工业界的广泛关注. 经过 多年的发展, 国际国内的学者提出了很多具有容错控 制能力的控制器设计方法[1C8] . 系统故障往往多样复杂, 一般将故障的表现形式 或故障现象称为故障模式, 并将建立的相关数学模型 称为故障模型. 目前, 容错控制的设计分为被动方法 与主动方法[8] , 而主动方法一般又分为在线设计容错 控制器和在线选择容错控制器两类方法. 其中在线选 择容错控制器方法的控制结构如图1所示, 其总体思 路是根据可能发生的故障以及相应的故障模型分别 离线设计容错控制器, 然后在线运行时, 根据故障检 测与诊断得到的当前故障, 按照某种方法, 在容错控 制器集合中选择一个合适的容错控制器, 保证系统的 稳定性、 安全性和系统性能. 相比于直接在线重构设 计容错控制器的方法, 离线设计在线选择的方法对实 时性的要求容易满足, 特别对于高维系统, 使得容错 控制器设计可以不受计算复杂度的限制, 非常易于实 施[9] . 因为图1中的离线设计部分、在线选择策略和 故障检测与诊断模块是相互独立的, 可以分别设计, 所以本文的主要研究内容是离线设计部分和在线控 制器选择策略, 并不包含在线容错控制时非常重要的 故障检测与诊断方法. 对于离线设计在线选择容错控制器的研究已经取 得了一些成果, 比如增益调度方法[10] 、 多模型自适应 选择方法[11C14] 、 基于分离集的选择方法[15] 、 最优化 收稿日期: 2013?02?02;