CN105911967B - 一种考虑多约束的分布式多执行器控制指令分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑多约束的分布式多执行器控制指令分配方法，该方法可以根据执行器与控制指令的匹配系数进行分配，同时满足各个执行器的控制输出上下限制和其能量约束。本发明为分布式算法，匹配系数、输出增量等计算都不需要中心单元，没有由于中心单元导致系统失效的风险，提高了系统的鲁棒性；输出计算不需要传统伪逆法等的矩阵求逆运算，大大降低了计算复杂度，有其是在执行器个数较大的情况下，优势更为明显；本发明计算所得的输出同时满足执行器输出上下限约束和执行器剩余能量约束；本发明适用于异构执行器之间的控制分配，可适用于同时配置双向执行器和单向执行器的系统，也可以适用于输出上下限等约束不同的执行器。

Description

一种考虑多约束的分布式多执行器控制指令分配方法

【技术领域】

本发明属于冗余执行器控制分配领域，具体涉及一种考虑多约束的分布式多执行器控制指令分配方法。

【背景技术】

在控制系统中，为了提升系统鲁棒性，通常会冗余配置多个执行器，以保证在个别执行器失效的情况下控制系统的有效性。在多执行器控制系统中，如何将期望的控制指令在多个执行器之间进行分配，使得多个执行器输出尽可能的与期望的控制指令一致是控制分配研究的目的。例如在航天器控制中，为了保证系统可靠性，通常配备有多个推力器和反作用飞轮等执行器，这些执行器需要共同作用使得多个执行器的合力和合力矩与期望控制指令一致。通常采用的控制分配方法是由系统中心控制节点在已知所有执行器的控制效率信息的情况下，利用伪逆法、直接分配法等方法计算得到各个执行器的输出值，然后同时驱动所有执行器动作。但是伪逆法无法保证输出在执行器输出可行域等约束内，且需要大量矩阵求逆运算；直接分配法计算量和计算复杂度较大。然而随着各种分布式控制系统的出现，如空间细胞机器人，系统结构变得复杂，执行器数量越来越多，因此上述计算方法的计算量大幅增加；另外，由于系统分布式特性，需要涉及到执行器的增加和删减，从而导致上述依赖于中心计算节点的控制分配方法无法适用。

为了解决多执行器在多种约束情况下的分布式控制分配，本发明给出了一种分布式二维控制指令分配方法，该方法同时满足各个执行器的控制输出上下限制和剩余能量等约束的情况下，实现分布式控制分配，避免了矩阵求逆等复杂运算，大大降低了计算复杂度。

【发明内容】

本发明的目的是实现二维空间多个执行器的分布式控制分配，提供一种考虑多约束的分布式多执行器控制指令分配方法，该方法将控制器输出的控制指令计算出各个执行器的输出，使得所有执行器在满足输出约束、能量约束等条件下，共同作用与控制指令相匹配。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种考虑多约束的分布式多执行器控制指令分配方法，包括以下步骤：

1)初始化参数

定义执行器自身单位输出产生的效果为其输出效率向量a_i∈R^2×1，其中i＝1,2,...,N，N为执行器个数且N≥2；

定义执行器i的参与分配标识为b_i，若执行器i不参与控制分配则b_i＝0；反之，若执行器i参与控制分配，则b_i＝1；

待分配控制器指令为v∈R^2×1，由控制器输出；各执行器当前输出值u_i＝0；

2)执行器能力更新自身输出效率向量

根据下式更新执行器i的输出效率向量：

a_i＝b_ia_i

3)根据控制指令和执行器输出效率向量计算匹配系数

各执行器根据下式计算执行器i的输出效率向量a_i与待分配指令v的匹配系数f_i，并发送给其他执行器：

其中，||v||为指令v的二范数，l_i为执行器i的输出下限，h_x为执行器i的输出上限；执行器分为双向执行器和单向执行器，双向执行器l_i＝-h_i，单向执行器l_i＝0；

4)按照匹配系数绝对值进行排序

各执行器接收到其他所有执行器的匹配系数后将所有执行器的匹配系数按照绝对值|f_i|的大小进行排序，得到匹配系数绝对值最大的为最优执行器，记为x，仅次于最优执行器的为次优执行器，记为y；

5)计算执行器输出

根据执行器x,y的匹配系数分为两种情况：

情况1：执行器x,y匹配系数一致，即f_x＝f_y

初始增量计算：执行器x,y分别根据下式计算各自的输出增量：

输出限制修正：执行器x,y分别根据自身的输出下限l_x,l_y和上限h_x,h_y，分别按照以下各式对各自的参与分配标识b_x、b_y和输出增量δ_x、δ_y进行修正：

剩余能量修正：执行器x,y分别根据自身当前剩余能量值ε_x,ε_y，分别按照以下各式对各自的参与分配标识b_x、b_y和输出增量δ_x、δ_y进行更新：

其中，Δt为执行器单步执行步长，由控制器设定；能量值为执行器输出与时间的乘积，即，若执行器i在输出为U的情况下工作时长为T，则其剩余能量为ε_i＝UT；

执行器x,y分别将各自计算所得的δ_x和δ_y传递给对方，取二者绝对值小者为Δ：

Δ＝min(|δ_x|,|δ_y|)

则执行器x,y各自的输出增量δ_x，δ_y分别为

δ_x＝sgn(δ_x)Δ

δ_y＝sgn(δ_y)Δ

执行器x,y分别更新各自输出值

u_x＝u_x+δ_x

u_y＝u_y+δ_y

根据下式更新待分配指令

v＝v-a_xu_x-a_yu_y

若||v||＜ξ，则循环结束，进行步骤6)，否则继续返回步骤2)，其中ξ为预先设定的分配精度条件，ξ越小分配精度越高；

情况2：x,y匹配系数不一致，即f_x＞f_y

处室增量计算：执行器x根据下式计算输出增量

输出限制修正：执行器x根据自身的输出下限l_x和上限h_x，按照下列各式对参与分配标识b_x和输出增量δ_x进行更新：

剩余能量修正：执行器x根据自身当前剩余能量值ε_x和总能量值E_x，按照下式对参与分配标识b_x和输出增量δ_x进行更新：

执行器x更新其输出值：

u_x＝u_x+δ_x

根据下式更新待分配指令：

v＝v-a_xu_x

若||v||＜ξ，则循环结束，进行步骤6)，否则继续返回步骤2)；

6)各执行器按照各自输出值同时执行

经过上述分配后各执行器的输出值为u_i，并按照下式对单向执行器输出做最后修正

各执行器按照对应输出u_i执行即可实现对指令v的分配，即

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明给出了一种分布式二维控制指令分配方法，该方法可以根据执行器与控制指令的匹配系数进行分配，同时满足各个执行器的控制输出上下限制和其能量约束。该方法与常规控制分配方法在以下方面存在优势：1)本方法为分布式算法，匹配系数、输出增量等计算都不需要中心单元，没有由于中心单元导致系统失效的风险，提高了系统的鲁棒性；2)本方法的输出计算不需要传统伪逆法等的矩阵求逆运算，大大降低了计算复杂度，有其是在执行器个数较大的情况下，优势更为明显；3)本方法计算所得的输出同时满足执行器输出上下限约束和执行器剩余能量约束，而传统伪逆法无法保证伪逆解满足上述约束；4)本方法适用于异构执行器之间的控制分配，可适用于同时配置双向执行器和单向执行器的系统，也可以适用于输出上下限等约束不同的执行器。

【附图说明】

图1控制分配示意图

图2匹配系数不同时最优执行器输出值计算示意图

图3算法流程示意图

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-图3，本发明考虑多约束的分布式多执行器控制指令分配方法，包括以下步骤：

步骤一：初始化参数

定义执行器自身单位输出产生的效果为其输出效率向量a_i∈R^2×1，其中i＝1,2,...,N，N为执行器个数且N≥2。

定义执行器i的参与分配标识为b_i，若执行器i由于故障、饱和、超限等原因不参与控制分配则b_i＝0；反之，若执行器i参与控制分配，则b_i＝1。

待分配控制器指令为v∈R^2×1，由控制器输出，具体获得方式取决于控制器本身，非本专利发明内容。

各执行器当前输出值u_i＝0。

步骤二：执行器能力更新自身输出效率向量

根据下式更新执行器i的输出效率向量：

a_i＝b_ia_i

步骤三：根据控制指令和执行器输出效率向量计算匹配系数

各执行器根据下式计算执行器i的输出效率向量a_i与待分配指令v的匹配系数f_i，并发送给其他执行器：

其中||v||为指令v的二范数,l_i为执行器i的输出下限,h_x为执行器i的输出上限。通常情况下执行器可分为双向执行器和单向执行器，一般情况下双向执行器l_i＝-h_i，单向执行器l_i＝0，但本专利发明内容适用于包含但不限于上述两种情况。

步骤四：按照匹配系数绝对值进行排序

各执行器接收到其他所有执行器的匹配系数后将所有执行器的匹配系数按照绝对值|f_i|的大小进行排序，得到匹配系数绝对值最大的为最优执行器，记为x，仅次于最优执行器的为次优执行器，记为y。

步骤五：计算执行器输出

根据执行器x,y的匹配系数分为两种情况：

情况1：执行器x,y匹配系数一致，即f_x＝f_y

初始增量计算：执行器x,y分别根据下式计算各自的输出增量

输出限制修正：执行器x,y分别根据自身的输出下限l_x,l_y和上限h_x,h_y，分别按照以下各式对各自的参与分配标识b_x，b_y和输出增量δ_x，δ_y进行修正：

剩余能量修正：执行器x,y分别根据自身当前剩余能量值ε_x,ε_y，分别按照以下各式对各自的参与分配标识b_x，b_y和输出增量δ_x，δ_y进行更新：

其中Δt为执行器单步执行步长，由控制器设定；能量值为执行器输出与时间的乘积，即，若执行器i可在输出为U的情况下工作时长为T，则其剩余能量为ε_i＝UT。

执行器x,y分别将各自计算所得的δ_x和δ_y传递给对方，取二者绝对值小者为Δ：

Δ＝min(|δ_x|,|δ_y|)

则执行器x,y各自的输出增量δ_x，δ_y分别为

δ_x＝sgn(δ_x)Δ

δ_y＝sgn(δ_y)Δ

执行器x,y分别更新各自输出值

u_x＝u_x+δ_x

u_y＝u_y+δ_y

根据下式更新待分配指令

v＝v-a_xu_x-a_yu_y

若||v||＜ξ，则循环结束，进行步骤六，否则继续返回步骤二，其中ξ为预先设定的分配精度条件，ξ越小分配精度越高。

情况2：x,y匹配系数不一致，即f_x＞f_y

处室增量计算：执行器x根据下式计算输出增量

输出限制修正：执行器x根据自身的输出下限l_x和上限h_x，按照下列各式对参与分配标识b_x和输出增量δ_x进行更新：

剩余能量修正：执行器x根据自身当前剩余能量值ε_x和总能量值E_x，按照下式对参与分配标识b_x和输出增量δ_x进行更新：

执行器x更新其输出值：

u_x＝u_x+δ_x

根据下式更新待分配指令：

v＝v-a_xu_x

若||v||＜ξ，则循环结束，进行步骤六，否则继续返回步骤二。

步骤六：各执行器按照各自输出值同时执行

经过上述分配后各执行器的输出值为u_i，并按照下式对单向执行器输出做最后修正

各执行器按照对应输出u_i执行即可实现对指令v的分配，即

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种考虑多约束的分布式多执行器控制指令分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)初始化参数

定义执行器自身单位输出产生的效果为其输出效率向量a_i∈R^2×1，其中i＝1,2,...,N，N为执行器个数且N≥2；

定义执行器i的参与分配标识为b_i，若执行器i不参与控制分配则b_i＝0；反之，若执行器i参与控制分配，则b_i＝1；

待分配控制器指令为v∈R^2×1，由控制器输出；各执行器当前输出值u_i＝0；

2)执行器能力更新自身输出效率向量

根据下式更新执行器i的输出效率向量：

a_i＝b_ia_i

3)根据控制指令和执行器输出效率向量计算匹配系数

各执行器根据下式计算执行器i的输出效率向量a_i与待分配指令v的匹配系数f_i，并发送给其他执行器：

其中，||v||为指令v的二范数，l_i为执行器i的输出下限，h_i为执行器i的输出上限；执行器分为双向执行器和单向执行器，双向执行器l_i＝-h_i，单向执行器l_i＝0；

4)按照匹配系数绝对值进行排序

各执行器接收到其他所有执行器的匹配系数后将所有执行器的匹配系数按照绝对值|f_i|的大小进行排序，得到匹配系数绝对值最大的为最优执行器，记为x，仅次于最优执行器的为次优执行器，记为y；

5)计算执行器输出

根据执行器x,y的匹配系数分为两种情况：

情况1：执行器x,y匹配系数一致，即f_x＝f_y

初始增量计算：执行器x,y分别根据下式计算各自的输出增量：

输出限制修正：执行器x,y分别根据自身的输出下限l_x,l_y和上限h_x,h_y，分别按照以下各式对各自的参与分配标识b_x、b_y和输出增量δ_x、δ_y进行修正：

剩余能量修正：执行器x,y分别根据自身当前剩余能量值ε_x,ε_y，分别按照以下各式对各自的参与分配标识b_x、b_y和输出增量δ_x、δ_y进行更新：

其中，Δt为执行器单步执行步长，由控制器设定；能量值为执行器输出与时间的乘积，即，若执行器_i在输出为U的情况下工作时长为T，则其剩余能量为ε_i＝UT；

执行器x,y分别将各自计算所得的δ_x和δ_y传递给对方，取二者绝对值小者为Δ：

Δ＝min(|δ_x|,|δ_y|)

则执行器x,y各自的输出增量δ_x，δ_y分别为

δ_x＝sgn(δ_x)Δ

δ_y＝sgn(δ_y)Δ

执行器x,_y分别更新各自输出值

u_x＝u_x+δ_x

u_y＝u_y+δ_y

根据下式更新待分配指令

v＝v-a_xu_x-a_yu_y

若||v||＜ξ，则循环结束，进行步骤6)，否则继续返回步骤2)，其中ξ为预先设定的分配精度条件，ξ越小分配精度越高；

情况2：x,y匹配系数不一致，即f_x＞f_y

初始增量计算：执行器x根据下式计算输出增量

输出限制修正：执行器x根据自身的输出下限l_x和上限h_x，按照下列各式对参与分配标识b_x和输出增量δ_x进行更新：

剩余能量修正：执行器x根据自身当前剩余能量值ε_x和总能量值E_x，按照下式对参与分配标识b_x和输出增量δ_x进行更新：

执行器x更新其输出值：

u_x＝u_x+δ_x

根据下式更新待分配指令：

v＝v-a_xu_x

若||v||＜ξ，则循环结束，进行步骤6)，否则继续返回步骤2)；

6)各执行器按照各自输出值同时执行

经过上述分配后各执行器的输出值为u_i，并按照下式对单向执行器输出做最后修正

各执行器按照对应输出u_i执行即可实现对指令v的分配，即