CN109283845B - 一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及容错控制器技术领域，尤其涉及一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法,建立一种可以描述具有控制器失效的单机无穷大总线电源系统的容错控制器形式：u(t)＝α(t)K(θ(t))x(t)，其中x(t)为系统状态、K(θ(t))为控制器增益状态，u(t)为控制输入，分段函数α(t)的取值包括α(t)＝1和α(t)＝0这两种情况，并且α(t)＝1表示在与之对应时间t内控制器正常运行，α(t)＝0表示在与之对应时间t内控制器停止运行，本发明充分考虑单机无穷大总线电源系统本身是否稳定并且分别制定了衡量标准，即可以直接根据衡量标准选取最适合的容错控制器使得系统稳定。

Description

一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法

技术领域

本发明涉及容错控制器技术领域，尤其涉及一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法。

背景技术

在自动控制领域中，对于制造工艺和工业应用的高效性，广泛性和适应性越来越高的要求使得对于单机无穷大总线电源系统的研究与日俱增。单机无穷大总线电源系统的动力学模型是从同步电机的经典Park模型获得的。并且在该模型中忽略了定子绕组电阻，由磁通量产生的电压，阻尼绕组，饱和效应和速度电压的效率偏差，另外假设传输线电阻可以忽略不计。如果发电机组控制器由与电力系统稳定器协调的自动电压调节器组成，为了使运算更加的方便，根据已有单机无穷大总线电源系统，平衡点移动以后的系统动态方程也已经被得到。实际上由于环境突然变化，元器件老化以及外部干扰等因素导致无穷大总线的等效负载发生变化，导致对应的系统参数也会发生相对应的改变，无穷大总线电压由具有两种模式的非齐次马尔科夫跳变系统建模。

通过重组单机无穷大总线电源系统，由于系统在运行过程中由于信号传递以及考虑到成本控制和使用寿命的因素，人为的暂停系统中的控制器，使得出现控制器失效(停止运行)的情况，所以需要设计一种容错控制器使得系统在运行过程中处于稳定状态。传统的方法通常是将控制器有效与控制器失效的两种情况分别建立对应的模型，分别考虑两个模型的稳定性，并且由于系统在运行过程中两个模型的切换之间实际上是时时连续的，所以切换点之间的处理通常会使得系统的保守性变差，并且这样的方法需要更多的计算量。而另一种方法则是通过将单机无穷大总线电源系统建模为线性定常系统去考虑，虽然同样使得系统满足稳定但是并没有将无穷大总线电压的变化考虑到模型当中。由于所提出的方法有助于通过非齐次马尔科夫跳变系统中不同的模态模拟这些变化的影响并为系统设计容错控制器，因此在这个意义上所设计的容错控制器本质上可以完美的处理具有控制器失效的单机无穷大总线电源系统。

因此，我们提出了一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法。

一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法，建立一种可以描述具有控制器失效的单机无穷大总线电源系统的容错控制器形式：u(t)＝α(t)K(θ(t))x(t)，其中x(t)为系统状态、K(θ(t))为控制器增益状态，u(t)为控制器增益取值，分段函数α(t)的取值包括α(t)＝1和α(t)＝0这两种情况，并且α(t)＝1表示在与之对应时间t内控制器正常运行，α(t)＝0表示在与之对应时间t内控制器停止运行；

通过处理手段去分析系统的稳定性，根据控制器有效与控制器失效两种情况在系统运行过程中发生的总次数，针对控制器失效的情况下系统不一定是稳定的情况有两种如下的处理手段：如果系统本来是稳定的，所述容错控制器可以加快状态响应的收敛速度；如果系统本来是不稳定的，所述容错控制器在使得系统镇定的同时，可以满足系统在整个时域内的稳定与镇定性。

优选的，通过分段函数将控制器有效与控制器失效两种随时间变化的情况直接表示，并且要求单机无穷大总线电源系统的两个模式{θ(t),θ(t)∈N}在有限集合θ(t)＝{1,2}中取值；

控制增益取值对于控制器有效的情况是

控制增益取值对于控制器失效的情况是

优选的，针对单机无穷大总线电源系统的两个模式，在运行过程中的控制器有效与失效的情况分别设计驻留时间，所述控制器有效的驻留时间用Γ_1,n表示，所述控制器失效驻留时间用Γ_2,n表示，针对驻留时间设计新的混合切换系统进行描述，混合切换系统通过一个状态响应方程全面分析系统的容错控制器，混合切换系统形式为

其中σ(t)表示系统的控制器失效和控制器有效的两种情况，且σ(t)在有限集合σ(t)＝{1,2}中取值，并且σ(t)＝1,t∈Γ_1,n，σ(t)＝2,t∈Γ_2,n。

优选的，设计针对单机无穷大总线电源系统建模的混合切换系统的驻留时间，所述驻留时间在开始运行时是处于控制器有效的子系统中，即所述驻留时间无法从控制器失效的状态直接启动，并且对于任意的时刻t，存在

优选的，定义τ_n＝t_2n+1-t_2n是σ(t)＝1的子系统的滞留时间，定义

是σ(t)＝2的子系统的滞留时间，系统在运行过程中控制器失效的时间存在最大值

系统在运行过程中控制器有效的时间存在最小值τ_min。

优选的，不需要考虑系统在控制器有效的时间区间和控制器失效的时间区间内具体的运行模式，满足两种子系统的发生的总次数分别乘以其滞留时间得到的充分条件即可以保证系统满足指数稳定。

优选的，将单机无穷大总线电源系统矩阵本身是否稳定通过

的大于0和小于0，得到两个充分条件，可以针对原系统参数直接选择使用对应的条件使得系统稳定，α和β满足||e^At||≤e^α-βt，其中

和

分别满足

π表示马尔科夫过程中的转移速率矩阵，其中π₁₁，π₂₂分别表示矩阵中第一行第一列元素与矩阵中第二行第二列元素，P表示马尔科夫过程中的唯一不变分布，其中P₁，P₂分别表示对应两个模态下的马尔科夫过程唯一不变分布。

本发明的有益效果是：

1、在建模的过程中通过一种混合切换系统将随机性和控制器失效与否的情况通过一个状态转移方程体现出来；

2、针对单机无穷大总线电源系统在运行过程中无穷大总线电压的两种模式，使用具有模态依赖的马尔科夫过程完美支配这两种模式；

3、所设计的容错控制器充分将控制器失效与控制器有效滞留时间的时变性考虑在内；

4、本发明与其他现有文献中所使用的处理手段不同，在保证闭环系统镇定的同时降低了保守性；

5、本发明充分考虑单机无穷大总线电源系统本身是否稳定并且分别制定了衡量标准，即可以直接根据衡量标准选取最适合的容错控制器使得系统稳定。

附图说明

图1为针对单机无穷大总线电源系统所得控制器结构图；

图2为本发明模型建立流程图；

图3为本发明的控制器求解流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-3，一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法，单机无穷大总线电源系统在实际运行过程中由于环境突然变化，元器件老化以及外部干扰等因素导致无穷大总线的等效负载发生变化，并且对应的系统参数也会发生相对应的改变，无穷大总线电压由具有两种模式的非齐次马尔科夫跳变系统建模。

建立一种可以描述具有控制器失效的单机无穷大总线电源系统的容错控制器形式：u(t)＝α(t)K(θ(t))x(t)，其中x(t)为系统状态、K(θ(t))为控制器增益状态，u(t)为控制器增益取值，分段函数α(t)的取值包括α(t)＝1和α(t)＝0这两种情况，并且α(t)＝1表示在与之对应时间t内控制器正常运行，α(t)＝0表示在与之对应时间t内控制器停止运行。

通过分段函数将控制器有效与控制器失效两种随时间变化的情况直接表示，并且要求单机无穷大总线电源系统的两个模式{θ(t),θ(t)∈N}在有限集合θ(t)＝{1,2}中取值；

控制增益取值对于控制器有效的情况是

控制增益取值对于控制器失效的情况是

针对单机无穷大总线电源系统的两个模式，在运行过程中的控制器有效与失效的情况分别设计驻留时间，所述控制器有效的驻留时间用Γ_1,n表示，所述控制器失效的驻留时间用Γ_2,n表示，针对驻留时间设计新的混合切换系统进行描述，混合切换系统通过一个状态响应方程全面分析系统的容错控制器，混合切换系统形式为

其中σ(t)表示系统的控制器失效和控制器有效的两种情况，且σ(t)在有限集合σ(t)＝{1,2}中取值，并且σ(t)＝1,t∈Γ_1,n，σ(t)＝2,t∈Γ_2,n。

设计针对单机无穷大总线电源系统建模的混合切换系统的驻留时间，所述驻留时间在开始运行时是处于控制器有效的子系统中，即所述驻留时间无法从控制器失效的状态直接启动，并且对于任意的时刻t，存在

定义τ_n＝t_2n+1-t_2n是σ(t)＝1的子系统的滞留时间，定义

是σ(t)＝2的子系统的滞留时间，系统在运行过程中控制器失效的时间存在最大值

系统在运行过程中控制器有效的时间存在最小值τ_min。

通过处理手段去分析系统的稳定性，根据控制器有效与控制器失效两种情况在系统运行过程中发生的总次数，针对控制器失效的情况下系统不一定是稳定的情况有两种如下的处理手段：如果系统本来是稳定的，所述容错控制器可以加快状态响应的收敛速度；如果系统本来是不稳定的，所述容错控制器在使得系统镇定的同时，可以满足系统在整个时域内的稳定与镇定性。

不需要考虑系统在控制器有效的时间区间和控制器失效的时间区间内具体的运行模式，满足两种子系统的发生的总次数分别乘以其滞留时间得到的充分条件即可以保证系统满足指数稳定。

将单机无穷大总线电源系统矩阵本身是否稳定通过

的大于0和小于0，得到两个充分条件，可以针对原系统参数直接选择使用对应的条件使得系统稳定，其中α和β满足||e^At||≤e^α-βt，π表示马尔科夫过程中的转移速率矩阵，P表示马尔科夫过程中的唯一不变分布。

综上所述即得到满足控制器失效情况下的针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法，其特征在于，建立一种可以描述具有控制器失效的单机无穷大总线电源系统的容错控制器形式：u(t)＝α(t)K(θ(t))x(t)，其中x(t)为系统状态、K(θ(t))为控制器增益状态，u(t)为控制器增益取值，分段函数α(t)的取值包括α(t)＝1和α(t)＝0这两种情况，并且α(t)＝1表示在与之对应时间t内控制器正常运行，α(t)＝0表示在与之对应时间t内控制器停止运行；

通过分段函数将控制器有效与控制器失效两种随时间变化的情况直接表示，并且要求单机无穷大总线电源系统的两个模式{θ(t),θ(t)∈N}在有限集合θ(t)＝{1,2}中取值；

控制增益取值对于控制器有效的情况是

控制增益取值对于控制器失效的情况是

2.根据权利要求1所述的一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法，其特征在于，针对单机无穷大总线电源系统的两个模式，在运行过程中的控制器有效与失效的情况分别设计驻留时间，所述控制器有效的驻留时间用Γ_1,n表示，所述控制器失效的驻留时间用Γ_2,n表示，针对驻留时间设计新的混合切换系统进行描述，混合切换系统通过一个状态响应方程全面分析系统的容错控制器，混合切换系统形式为

其中σ(t)表示系统的控制器失效和控制器有效的两种情况，且σ(t)在有限集合σ(t)＝{1,2}中取值，并且σ(t)＝1,t∈Γ_1,n，σ(t)＝2,t∈Γ_2,n。

3.根据权利要求2所述的一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法，其特征在于，设计针对单机无穷大总线电源系统建模的混合切换系统的驻留时间，所述驻留时间在开始运行时是处于控制器有效的子系统中，即所述驻留时间无法从控制器失效的状态直接启动，并且对于任意的时刻t，存在

4.根据权利要求3所述的一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法，其特征在于，定义τ_n＝t_2n+1-t_2n是σ(t)＝1的子系统的滞留时间，定义

是σ(t)＝2的子系统的滞留时间，系统在运行过程中控制器失效的时间存在最大值

系统在运行过程中控制器有效的时间存在最小值τ_min。

5.根据权利要求4所述的一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法，其特征在于，不需要考虑系统在控制器有效的时间区间和控制器失效的时间区间内具体的运行模式，满足两种子系统的发生的总次数分别乘以其滞留时间得到的充分条件即可以保证系统满足指数稳定。

6.根据权利要求5所述的一种针对单机无穷大总线电源系统的容错控制器设计方法，其特征在于，将单机无穷大总线电源系统矩阵本身是否稳定通过

的大于0和小于0，得到两个充分条件，可以针对原系统参数直接选择使用对应的条件使得系统稳定，其中α和β满足||e^At||≤e^α-βt，π表示马尔科夫过程中的转移速率矩阵，P表示马尔科夫过程中的唯一不变分布。

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