CN108459907B - 一种多执行单元的能量均衡指令分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多执行单元的能量均衡指令分配方法，该方法可以依靠执行单元之间的数据交互实现控制分配，各执行单元根据自身的能量值计算能量均衡因子可实现各执行单元的能量均衡。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，归一化能量值、能量均衡因子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)本方法可以实现各执行单元之间的能量均衡，能够根据执行单元剩余能量和执行单元的相互交互协商，调整自身分配比例；3)本方法可以的交互过程可以随时中止，仍能保证控制分配准确性，仅影响能量均衡效果。

Description

一种多执行单元的能量均衡指令分配方法

技术领域

本发明属于控制指令分配领域，涉及一种多执行单元的能量均衡指令分配方法，具体涉及多个同质化执行单元在分布式系统架构下的能量均衡控制分配。

背景技术

在空间细胞机器人或空间细胞航天器系统中，为了提升系统的扩展性，需要根据任务需要配置不同数量的执行单元，使得系统能够适应灵活多变的任务和性能需求，同时能够保证系统在个别执行细胞失效的情况下保证系统的可靠性。冗余配置的控制单元在提升了系统的可靠性和扩展性，同时也给系统的控制指令分配带来一定困难。在整体式系统中，通常采用的方法是由系统中心控制节点，对各个执行单元进行统一管理和调配，调整不同执行细胞所承担的指令的比例来均衡执行节点的负载，进而起到平衡各执行细胞的能量水平的目的。不同于整体式系统，以空间细胞机器人和空间细胞化航天器等为代表的细胞化系统中，为了提升系统的可靠性和可扩展性，系统采用不依赖中心分配节点的分布式架构，系统通信拓扑呈网状结构，各节点仅与邻近节点进行通信。分布式体系结构能够更加方便节点的增加和删减。在分布式系统中，如果不进行能量均衡的话会导致某些节点过快耗尽自身能量，因此需要在指令分配过程中考虑各执行细胞的能量水平差异，使得执行细胞的能量趋于一致。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种多执行单元的能量均衡指令分配方法，解决多执行单元在能量水平不同情况下的分布式控制指令分配。该方法能够通过细胞的之间的交互协商，实现分布式控制分配，不依赖中心节点，避免了复杂运算，大大降低了计算复杂度。

技术方案

一种多执行单元的能量均衡指令分配方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：设有n₀(n₀≥1)个执行单元与控制器直接相连，用集合A_c表示。控制器将v(t)发送给与其相连的执行单元；

定义t时刻控制器输出的待分配的d(d≥1)维控制指令为v(t)∈R^d×1；

定义系统的执行单元总数为n(n≥n₀)个，其承担的控制指令分配比例为用向量ρ表示，且

ρ＝[ρ₁ ρ₂…ρ_n]^T∈R^n×1

其中，ρ_i，i∈{1,2,...,n}为执行单元i的分配比例，由执行单元i维护；且对于任意i∈{1,2,...,n}均有0≤ρ_i≤1；

步骤2：执行单元i在接收到控制指令v(t)后,当v(t)是否为新指令，利用下式更新自身分配比例，进行步骤3：

否则进行步骤3

步骤3：执行单元i根据自身控制效率矩阵D_i∈R^d×d计算对应v(t)的期望输出u_i

其中，执行单元安装方向以及内部执行器布局应保证控制效率矩阵D_i可逆；

计算执行单元i的归一化能量值向量ε＝[ε₁ ε₂…ε_d]∈R^d×1

(1)对于推力器等单向执行器，计算归一化能量向量用下式：

其中，f_i当前执行单元i的剩余能量，F为执行单元的总储能；

(2)对于反作用飞轮等双向充能执行器，用下式计算归一化能量向量

其中，r_ik当前执行单元i的剩余能量，r_max为执行单元的总储能；

步骤4：计算执行单元i自身的能量平衡因子

其中ω_max为提前设定的平衡因子上限值，其满足限制：

其中Δt为细胞之间交互时间间隔，L为用无向图描述的细胞连接拓扑对应的拉普拉斯矩阵；

步骤5：执行单元i将自身的能量均衡因子ω_i，控制分配比例ρ_i和控制指令v(t)发送给其所有相邻节点j∈V(i)，V(i)为与执行单元i相连的执行单元的集合；

执行单元j接收到数据后进行步骤三、步骤四计算其自身的均衡因子ω_i，控制分配比例ρ_i，并返回执行单元i；

执行单元i利用下式更新自身的分配比例ρ_i

若达到交互时间限制，则继续步骤六，否则返回步骤2；

步骤6：经过上述交互后，各执行单元均获得了控制指令v(t)及控制分配比例ρ_i i∈{1,2,...,n}，各执行单元按下式计算其对应输出u_i并同步输出：

u_i＝ρ_iv(t)。

有益效果

本发明提出的一种多执行单元的能量均衡指令分配方法，该方法可以依靠执行单元之间的数据交互实现控制分配，各执行单元根据自身的能量值计算能量均衡因子可实现各执行单元的能量均衡。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，归一化能量值、能量均衡因子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)本方法可以实现各执行单元之间的能量均衡，能够根据执行单元剩余能量和执行单元的相互交互协商，调整自身分配比例；3)本方法可以的交互过程可以随时中止，仍能保证控制分配准确性，仅影响能量均衡效果。

附图说明

图1：控制器和执行单元连接关系

其中虚线表示传输控制指令，实现表示传输控制指令、能量均衡因子和控制分配比例。

图2：方法流程示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的目的是实现任意d(d≥1)维任务空间多个同构执行单元的分布式控制分配，即根据控制器输出的控制指令计算出各个执行单元的输出，使得所有执行器共同作用与控制指令相匹配，同时通过指令执行，实现各个执行单元的控制。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一：参数定义和初始化

定义t时刻控制器输出的待分配的d(d≥1)维控制指令为v(t)∈R^d×1，其具体生成方式属于控制器设计领域，取决于控制器本身，非本专利发明内容。

定义系统的执行单元总数为n(n≥1)个，其承担的控制指令分配比例为用向量ρ表示，且

ρ＝[ρ₁ ρ₂…ρ_n]^T∈R^n×1 (1)

其中，ρ_i，i∈{1,2,...,n}为执行单元i的分配比例，由执行单元i维护；且对于任意i∈{1,2,...,n}均有0≤ρ_i≤1。

设有n₀(n₀≥1)个执行单元与控制器直接相连，用集合A_c表示。控制器将v(t)发送给与其相连的执行单元。

步骤二：接收控制指令

执行单元i在接收到控制指令v(t)后,首先检查v(t)是否为新指令，若是则利用下式更新自身分配比例，若否则进行步骤三。

步骤三：计算归一化能量值

执行单元i根据自身控制效率矩阵D_i∈R^d×d计算对应v(t)的期望输出u_i。

其中控制效率矩阵D_i由执行单元安装方向以及内部执行器布局所决定，非本发明内容，但应保证该其可逆。

根据下执行器类型，计算执行单元i的归一化能量值向量ε＝[ε₁ ε₂…ε_d]∈R^d×1

(1)对于推力器等单向执行器，用下式计算归一化能量向量

其中，f_i当前执行单元i的剩余能量(例如剩余燃料量)，F为执行单元的总储能(例如总燃料储量)。

(2)对于反作用飞轮等双向充能执行器，用下式计算归一化能量向量

其中，r_ik当前执行单元i的剩余能量(例如反作用飞轮转速)，r_max为执行单元的总储能(例如反作用飞轮饱和转速)。

步骤四：计算能量平衡因子

执行单元i根据步骤三中所得到的归一化能量向量ε，利用下式计算自身的能量平衡因子

其中ω_max为提前设定的平衡因子上限值，其满足下式限制。

其中Δt为细胞之间交互时间间隔，L为用无向图描述的细胞连接拓扑对应的拉普拉斯矩阵。

步骤五：交互修正分配比例

执行单元i将自身的能量均衡因子ω_i，控制分配比例ρ_i和控制指令v(t)发送给其所有相邻节点j∈V(i)。

执行单元j接收到数据后进行步骤二、步骤三、步骤四计算其自身的均衡因子ω_i，控制分配比例ρ_i，并返回执行单元i。

执行单元i利用下式更新自身的分配比例ρ_i

若达到交互时间达到限制，则继续步骤六，否则返回步骤二。

步骤六：结束数据交互

经过上述交互后，各执行单元均获得了控制指令v(t)及控制分配比例ρ_i i∈{1,2,...,n}。各执行单元按照控制分配比例按下式计算其对应输出u_i并同步输出即可。

u_i＝ρ_iv(t)。

Claims (1)

1.一种多执行单元的能量均衡指令分配方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：设有n₀个执行单元与控制器直接相连，n₀≥1，用集合A_c表示；控制器将v(t)发送给与其相连的执行单元；

定义t时刻控制器输出的待分配的d维控制指令为v(t)∈R^d×1，d≥1；

定义系统的执行单元总数为n个，n≥n₀，其承担的控制指令分配比例用向量ρ表示，且

ρ＝[ρ₁ ρ₂ … ρ_n]^T∈R^n×1

其中，ρ_i，i∈{1,2,...,n}为执行单元i的分配比例，由执行单元i维护；且对于任意i∈{1,2,...,n}均有0≤ρ_i≤1；

步骤2：执行单元i在接收到控制指令v(t)后,根据t是否更新判断v(t)是否为新指令，若v(t)为新指令则利用下式更新自身分配比例，然后进行步骤3：

否则直接进行步骤3；

步骤3：执行单元i根据自身控制效率矩阵D_i∈R^d×d计算对应v(t)的期望输出u_i的初始值

其中，执行单元安装方向以及内部执行器布局应保证控制效率矩阵D_i可逆；

计算执行单元i的归一化能量值向量ε＝[ε₁ ε₂ … ε_d]∈R^d×1

(1)对于推力器等单向执行器，计算归一化能量向量用下式：

其中，f_i当前执行单元i的剩余能量，F为执行单元的总储能；

(2)对于反作用飞轮等双向充能执行器，用下式计算归一化能量向量

其中，r_ik当前执行单元i的剩余能量，r_max为执行单元的总储能；u_ik为u_i向量的第k个分量；

步骤4：计算执行单元i自身的能量平衡因子

其中ω_max为提前设定的平衡因子上限值，其满足限制：

其中Δt为细胞之间交互时间间隔，L为用无向图描述的细胞连接拓扑对应的拉普拉斯矩阵；

步骤5：执行单元i将自身的能量均衡因子ω_i，控制分配比例ρ_i和控制指令v(t)发送给其所有相邻节点j∈V(i)，V(i)为与执行单元i相连的执行单元的集合；

执行单元j接收到数据后进行步骤2～步骤4后完成其自身的均衡因子ω_j，控制分配比例ρ_j，并返回执行单元i；

执行单元i利用下式更新自身的分配比例ρ_i

若达到交互时间限制，则继续步骤6，否则返回步骤2；

步骤6：经过上述交互后，各执行单元均获得了控制指令v(t)及控制分配比例ρ_ii∈{1,2,...,n}，各执行单元按下式计算其对应输出u_i并同步输出：

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