CN111665820B - 工业互联系统的分散式故障检测与容错控制方法 - Google Patents
工业互联系统的分散式故障检测与容错控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种工业互联系统的分散式故障检测与容错控制方法。本发明首先建立子系统状态模型,给定跟踪误差方程,设定子系统通信协议,即当跟踪误差超过设定阈值时子系统间才进行通信,以此来减少子系统之间的互联影响。然后建立子系统状态估计模型,如果估计误差大于等于检测阈值,则系统检测到故障并发出警告,通过重新配置子系统的控制律以适应故障,以此达到系统稳定的目的。
Description
技术领域
本发明属于自动化技术领域,涉及一种工业互联系统的分散式故障检测与容错控制方法
背景技术
随着现代工业系统的规模不断扩大,系统结构的不断复杂化,越来越多的复杂系统都具有互联的形式。对于复杂的工业系统而言,控制过程中存在大量的子系统间信息交换;传统的集中式的控制方式常常会因为信息交互的程度太高导致系统的负荷太重,而系统的实时性、容错性等也将受到影响,可靠性也会因此而下降。因此采用分散式控制方式是很有必要的。
工业互联系统在长时间的运行下很可能出现故障,如果不能及时发现故障并解决故障,轻者造成产能降低,重者发生安全事故。因此研究一种分散式故障检测与容错控制方法对工业互联系统而言是很有必要的。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提供了一种工业互联系统的分散式故障检测与容错控制方法。
本发明首先建立子系统状态模型,给定跟踪误差方程,设定子系统通信协议,即当跟踪误差超过设定阈值时子系统间才进行通信,以此来减少子系统之间的互联影响。然后建立子系统状态估计模型,如果估计误差大于等于检测阈值,则系统检测到故障并发出警告,通过重新配置子系统的控制律以适应故障,以此达到系统稳定的目的。
本发明的方法步骤包括:
步骤1.建立子系统状态模型及子系统间通信协议
1-1.建立第i(i=1,2,...n)个子系统Pi的状态模型为:
其中表示第i个子系统Pi的状态向量,表示状态向量xi的第k个行向量xik的导数,表示状态向量xi的第m个行向量的导数,其中i=1,2,...n,k=1,2...,m-1。ui表示子系统Pi的控制输入,fi(xi),gi(xi)为已知函数,表示第i个子系统Pi的局部动态。为未知函数,表示第i个子系统和第j个子系统之间的互连效应,且hia(x)表示第a个故障对子系统Pi动态的影响。t表示系统运行的时间,β(t-Tia)表示在未知时刻Tia发生的故障对应的时间分布。考虑每个子系统中可能出现多个故障,其中bi表示子系统Pi中发生故障的总数;
1-2.将子系统Pi的状态模型写成矩阵形式
其中
假设子系统Pi的局部标称模型为
其中
1-3.建立子系统的状态跟踪误差方程
1-4.建立子系统间的通信协议
步骤2.设计分散式故障检测方案
2-1.建立子系统Pi的估计量模型
其中Lij和σj是已知常数
2-2.定义故障检测阈值Ri(t)
其中
dj表示设计的阈值。若|εi(tid)|≥Ri(tid),则在tid时刻故障发生警报。
步骤3.设计分散式容错控制器
3-1.基于步骤1-3子系统Pi的跟踪误差动态为
3-2.设计标称控制律
ui=ui1+ui2
3-3.设计增广故障调节控制率
用线性参数化逼近器si(ei),自适应地逼近解析函数γij。
3-4.结合步骤3-2和3-3得到子系统Pi的总体分散控制律为
当步骤2-2检测到故障发生警报后,子系统Pi通过不断自适应地调整总体分散控制律ui,使得当前子系统保持稳定。以此类推,其它子系统也采用此方法保持自身稳定,最后保证互联大系统也是稳定的。
本发明的有益效果:通过步骤1-4建立子系统之间的通信协议,减少了子系统之间的通信,降低了系统负荷;步骤2-2设置检测阈值Ri(t),只有当估计误差超过此阈值时系统才会发生警报,减少了误警率,当子系统检测到故障后,通过不断自适应地调整总体分散控制律ui,使得系统保持稳定。
具体实施方式
本发明通过将复杂的互联系统分成若干个子系统,减少系统间的互联影响,当子系统检测到故障时通过容错控制方法来适应故障,使系统继续稳定运行。以注塑成型为例:
步骤1.将注塑系统分成若干子系统,并建立注塑子系统状态模型及子系统间通信协议
1-1.建立第i(i=1,2,...n)个注塑子系统Pi的状态模型为:
其中表示子系统Pi的注塑成型的系统状态,表示状态向量xi的第k个行向量xik的导数,表示状态向量xi的第m个行向量的导数,其中i=1,2,...n,k=1,2...,m-1。ui表示子系统Pi的注塑成型的阀门开度,fi(xi),gi(xi)为已知函数,表示子系统Pi的局部动态。为未知函数,表示第i个子系统和第j个子系统之间的互连效应,且hia(x)表示第a个故障对子系统Pi动态的影响。t表示系统运行的时间,β(t-Tia)表示在未知时刻Tia发生的故障对应的时间分布。本实施例考虑了每个子系统中可能出现多个故障,其中bi表示子系统Pi中发生故障的总数。
1-2.将注塑子系统Pi的状态模型写成矩阵形式
其中
假设注塑子系统Pi的局部标称模型为
其中
1-4.建立子系统间的通信协议
步骤2.设计分散式故障检测方案
2-1.建立子系统Pi的估计量模型
其中Lij和σj是已知常数
给出估计量模型:
2-2.定义故障检测阈值Ri(t)
其中
dj表示设计的阈值。若|εi(tid)|≥Ri(tid),则系统在tid时刻故障发生警报。
步骤3.分散式容错控制器的设计
3-1.基于步骤1-3子系统Pi的跟踪误差动态为
3-2.无故障时阀门开度的设计
ui=ui1+ui2
3-3.出现故障时阀门开度的调节控制设计
用线性参数化逼近器si(ei),自适应地逼近解析函数γij。
步骤3-4.结合步骤3-2和3-3得到子系统Pi的总体分散控制律为
注塑系统通过不断自适应地调整阀门开度,使得子系统Pi保持稳定。以此类推,其它子系统也采用此方法保持自身稳定,最后保证互联注塑大系统也是稳定的。
Claims (1)
1.工业互联系统的分散式故障检测与容错控制方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
步骤1.建立子系统状态模型及子系统间通信协议
1-1.建立第i个子系统Pi的状态模型为:
ui表示子系统Pi的控制输入;fi(xi),gi(xi)为已知函数,表示第i个子系统Pi的局部动态;φij为未知函数,表示第i个子系统和第j个子系统之间的互连效应,且φii=0;hia(x)表示第a个故障对子系统Pi动态的影响;t表示系统运行的时间,β(t-Tia)表示在未知时刻Tia发生的故障对应的时间分布;bi表示子系统Pi中发生故障的总数;
1-2.将子系统Pi的状态模型写成矩阵形式
其中
假设子系统Pi的局部标称模型为
其中
1-3.建立子系统的状态跟踪误差方程
1-4.建立子系统间的通信协议
步骤2.设计分散式故障检测方案
2-1.建立子系统Pi的估计量模型
其中Lij和σj是已知常数;
则子系统Pi的估计量模型为:
2-2.定义故障检测阈值Ri(t)
其中
dj表示设计的阈值;若|εi(tid)|≥Ri(tid),则在tid时刻故障发生警报;
步骤3.设计分散式容错控制器
3-1.基于步骤1-3子系统Pi的跟踪误差动态为
3-2.设计标称控制律
ui=ui1+ui2
3-3.设计增广故障调节控制率
用线性参数化逼近器si(ei),自适应地逼近解析函数γij;
3-4.结合步骤3-2和3-3得到子系统Pi的总体分散控制律为
当步骤2-2检测到故障发生警报后,子系统Pi通过不断自适应地调整总体分散控制律ui,使得当前子系统保持稳定;以此类推,其它子系统也采用此方法保持自身稳定,最后保证互联大系统也是稳定的。
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