引用本文

屠园园, 王大轶, 李文博. 考虑时间特性影响的控制系统可重构性定量评价方法研究. 自动化学报, 2018, 44(7): 1260-1270. doi: 10.16383/j.aas.2018.c160752

TU Yuan-Yuan, WANG Da-Yi, LI Wen-Bo. Quantitative Reconfigurability Evaluation for Control Systems in View of Time Properties. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2018, 44(7): 1260-1270. doi: 10.16383/j.aas.2018.c160752

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2018.c160752

关键词

控制可重构性，快变偏差故障，故障诊断时间，控制重构时刻，时间优化，可重构度 

摘要

故障诊断时间和控制重构延时严重影响了控制系统的实际重构性能，然而目前缺乏相关研究.基于该现状，本文针对执行器快变偏差故障，重点考虑时间特性影响，结合能量与输入约束，对控制系统可重构性的定量评价问题展开了研究.首先，以基于观测器的故障诊断算法和控制重构方案为例，建立了重构系统模型；然后，以该模型为对象，通过对重构过程中关键时刻的分析，深入研究了系统故障后的动态特性，并综合考虑故障引起的状态偏差、资源浪费以及诊断误差，设计了用于描述故障系统性能下降程度的二次型性能指标；其次，利用Lyapunov稳定性理论，定量求解了性能指标关于时间的一般表达式，进而求得该指标在整个时域中的最优解；最后，基于最优性能指标，引入了可重构度的概念，实现了对控制系统可重构性的理论判定以及定量描述，并通过数值仿真验证了所提可重构性分析方法的有效性.

文章导读

近几十年以来, 随着工业系统成本与复杂度的日益提高, 人们对其性能退化、产能下降以及安全隐患等问题的规避要求也愈发严格, 因此需要迫切提高系统的可靠性与安全性, 增强系统对故障的自主应对能力[1-2].对控制系统进行可重构性优化设计是提高系统自主故障处理能力、改善系统运行质量的有效途径, 现已引起控制理论与控制工程领域的高度重视与广泛关注[3].

目前, 针对控制系统可重构性的研究已形成一定的理论基础, 具体研究方法可归纳为以下三类: 1)基于系统固有特性的方法(例如:能控性[4]、稳定性[5]等); 2)基于系统性能约束的方法(例如:能量约束[6]、控制输入约束[7]、可靠性约束[8]); 3)基于系统功能要求的方法(例如:功能树法[9-10]、层次分析法[11]与模糊分析法[12]).

上述关于可重构性的研究多侧重于对空间特性的讨论(例如执行器构型、资源配置以及故障程度对可重构性的影响), 而忽略了对时间特性的研究.事实上, 系统发生故障以后, 需要花费一定的时间进行故障诊断, 才能够``对症下药", 采取有效的重构措施, 即控制重构存在一定的``延时".如果这段``延时"过短, 则诊断模块没有充足的时间对故障进行精确认知, 无法为重构控制器提供准确的故障信息, 从而导致控制系统的重构性能低下, 甚至重构失败; 反之, 如果这段``延时"过长, 则会造成有限资源的大量浪费, 并引起故障偏差的过分扩散, 使得后续重构代价过大, 超出系统剩余资源可以提供的范围, 从而导致系统在实际意义下不可重构.除此之外, 很多特定任务需要在规定的时间内完成, 系统故障后, 为继续完成这类既定任务, 必须在一定的时间窗口内进行控制重构, 这个窗口越小, 说明系统的时间冗余度越小, 相应地重构难度会越大.因此, 系统是否可重构, 除了取决于各种空间因素以外, 一定程度上还受诊断时长、重构时延以及任务窗口等各种时间因素的影响.

近年来, 关于可重构性时间问题的研究相对较少:文献[13]指出, 系统从发生故障到采取重构措施期间的延时严重影响重构性能. Zhang等在文献[14]中定性说明了时间是影响重构性能的关键因素之一, 并引入"最优等待时间tm"的概念, 指出当重构延时等于tm时, 系统重构性能将达到最优.文献[15]针对执行器部分失效故障, 定量推导了重构延时对系统重构性能的影响.从上述研究现状可知, 目前关于可重构性时间特性的研究才刚刚起步, 尚处于定性分析阶段, 且未考虑诊断时间对系统重构性能的影响.

此外, 现有关于可重构性的研究, 大多考虑执行器的部分失效故障.然而, 控制系统实际运行时, 在各类不确定因素的作用下, 常常会发生执行器偏差故障.为简化问题, 便于理论分析, 目前关于偏差故障的研究大都针对常值或慢时变故障来展开.事实上, 故障的时间变化特性会严重影响诊断精度, 进而影响系统的重构性能, 尤其是当诊断结果被直接应用于重构控制回路中时.因此, 容错过程中对快变偏差故障的处理至关重要, 有必要对其展开深入的研究与探讨.

综上所述, 目前关于控制系统可重构性的研究存在以下几点不足: 1)尚未形成系统全面的可重构性时间特性的定量分析方法; 2)未考虑故障诊断时间对系统重构性能的影响; 3)缺乏对快变偏差故障的可重构性研究.

鉴于此, 本文针对上述研究不足, 以执行器快变偏差故障为对象, 从时间特性角度出发, 定量分析了诊断与重构延时对控制系统实际可重构性的影响, 在此基础之上, 对系统可重构性的量化评价问题展开了深入研究.该研究可以在控制系统的前期设计阶段, 从时间规划角度, 对系统的重构预案进行评价与优化, 具有一定的工程实际意义.

图 1  重构控制过程的时间响应

图 2  控制系统可重构性评价流程

图 3  标称、故障与重构系统的输出响应

时间是影响控制系统实际重构性能的关键因素之一, 对其开展深入研究具有十分重要的工程实际意义.为了在控制系统的前期设计阶段, 从时间规划角度为系统重构预案的评价与优化工作提供理论依据, 本文针对执行器快变偏差故障, 考虑诊断与重构延时, 对系统重构性能的影响, 研究了控制系统可重构性的定量评价问题, 并得到以下结论:

1) 故障发生以后, 系统必须在时刻之前进行故障诊断与控制重构, 一旦超出该时间范围, 系统将不可重构;

2) 重构时刻并非越早越好, 对于给定的任务完成窗口, 存在最优的故障诊断时间与控制重构时刻, 使得系统的实际重构性能达到最优;

3) 不同诊断方法只改变容错时机与系统性能的最优值, 并不改变时间对系统重构性能的影响趋势.

作者简介

屠园园

北京控制工程研究所博士研究生.2014年于哈尔滨工业大学获学士学位.主要研究方向为卫星控制系统的可重构性评价与设计.E-mail:tyyfti@163.com

李文博  

北京控制工程研究所高级工程师.2012年在哈尔滨工业大学获博士学位.主要研究方向为故障诊断与容错控制, 卫星控制系统的可诊断性评价与设计.E-mail:liwenbo_bice@163.com

王大轶  

北京空间飞行器总体设计部研究员.主要研究方向为航天器的自主制导、导航与控制, 故障诊断与容错控制.本文通信作者.E-mail:dayiwang@163.com