一种欠驱动刚体系统的容错控制方法及控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种欠驱动刚体系统的容错控制方法及 控制系统。
【背景技术】
[0002] 目前大多数的刚体系统需要设置执行器来保持正常运行，当系统中的过多执行器 发生故障时，可能导致系统的状态由过驱动或完全驱动变成欠驱动，欠驱动系统是指系统 的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一类非线性系统，即输入比要控制的量少的系 统。
[0003] 在实际工程中，欠驱动系统的控制问题会影响到刚体系统的可靠性，但是由于执 行器故障信息通常是未知的，即系统是否存在执行器故障，哪一个执行器发生故障以及故 障发生的时间是未知的，不确定的执行器故障导致了系统欠驱动特性是不确定的。并且，由 于目前依然缺乏对于这类不确定执行器故障导致的不确定欠驱动系统的容错控制手段，使 得刚体系统的可靠性在很长一段时间内都得不到有效提高。
【发明内容】
[0004] 本发明的实施例提供一种欠驱动刚体系统的容错控制方法及控制系统，能够对于 不确定执行器故障导致的不确定欠驱动系统采取容错控制，从而提高刚体系统的可靠性。
[0005] 为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
[0006] 第一方面，本发明的实施例提供一种欠驱动刚体系统的容错控制方法，所述方法 用于一种刚体系统，所述刚体系统由于执行器发生故障而导致由过驱动或完全驱动系统转 变为欠驱动系统，所述方法包括：
[0007] 针对所述刚体系统的故障情况设置控制器；
[0008] 针对所述刚体系统的故障情况设置状态预测器，并利用所述状态预测器获取所述 刚体系统当前状态的误差信息；
[0009] 根据所述状态误差信息确定并选取对应于所述刚体系统当前故障情况的控制器， 该控制器能够实现在对应所述刚体系统当前的故障情况，并用于下闭环系统稳定维持所述 刚体系统的稳定。
[0010] 第二方面，本发明的实施例提供一种欠驱动刚体系统的容错控制系统，所述系统 用于一种刚体系统，所述刚体系统由于执行器发生故障而导致由过驱动或完全驱动系统转 变为欠驱动系统，所述容错控制系统包括：
[0011] 状态预测器，用于获取所述刚体系统当前状态的误差信息，并根据所述状态误差 信息确定并选取对应于所述刚体系统当前故障情况的控制器；
[0012] 所述控制器，对应所述刚体系统当前的故障情况，用于下闭环系统稳定维持所述 刚体系统的稳定用于保证在不确定执行器故障情况下，欠驱动刚体系统的稳定性。
[0013] 本发明实施例提供的欠驱动刚体系统的容错控制方法及控制系统，能够依据刚体 系统当前状态的误差信息选取对应于当前故障状态的控制器，并通过控制器对处于当前故 障状态的刚体系统进行控制。相对于现有技术，本发明实施例提供了一种对于这类不确定 执行器故障导致的不确定欠驱动系统的容错控制手段，有效解决了处于不确定欠驱动状 态的刚体系统容错控制问题，突破了传统的欠驱动刚体系统控制设计中假设故障已知的局 限，从而提高了刚体系统的可靠性。
【附图说明】
[0014] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附 图。
[0015] 图1为本发明实施例提供的系统结构示意图；
[0016] 图2为本发明实施例提供的欠驱动刚体系统的容错控制方法的流程图；
[0017] 图3为本发明实施例提供的一种容错控制器实例的示意图；
[0018] 图4为本发明实施例提供的一种状态预测器实例的示意图；
[0019] 图5为故障情况下系统的执行器输入信号的波形图；
[0020] 图6为故障情况下系统的状态信号的波形图；
[0021] 图7为本发明实施例提供的一种基于性能函数选取的控制器标号实例的示意图。
【具体实施方式】
[0022] 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。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023] 为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方 式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示 例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类 似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能 解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形 式"一"、"一个"、"所述"和"该"也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明 书中使用的措辞"包括"是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排 除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理 解，当我们称元件被"连接"或"耦接"到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件， 或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的"连接"或"耦接"可以包括无线连接或耦接。 这里使用的措辞"和/或"包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0024] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术 术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应 该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的 意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0025] 本发明实施例提供一种欠驱动刚体系统的容错控制方法，所述方法用于一种如图 1所示的刚体系统，所述刚体系统由于执行器发生故障而导致由过驱动或完全驱动系统转 变为欠驱动系统，如图2所示，该方法包括：
[0026] 101，针对所述刚体系统的故障情况设置控制器。
[0027] 102,针对所述刚体系统的故障情况设置状态预测器，并利用所述状态预测器获取 所述刚体系统当前状态的误差信息。
[0028] 103,根据所述状态误差信息确定并选取对应于所述刚体系统当前故障情况的控 制器。
[0029] 其中，该控制器对应所述刚体系统当前的故障情况，并用于维持所述刚体系统的 稳定。在本实施例中，刚体系统的执行器的故障信息未知（在本实施例中，执行器可以是刚 体系统的转动飞轮或推力器），以刚体系统具有3个执行器为例，刚体系统当前状态的可以 表示为：
[0030]
[0031] 其中，％，《2,《3分别表示所述刚体系统在三个正交轴方向上的运行的角速率， 分别表示所述刚体系统的角速率在执行器11 1，1!2，1!3分别作用下的动态变化。比如： 角速率，转动惯量Ii和控制转矩U1为刚体系统在方向1上的参数。，《 = [?i，《2,《3]T表示角速率，I=diag{Ii，12, 13}表示转动惯量，u=[Upu2,u3]T表示控制转矩。需要说 明的是，参照上述表达式并结合本领域的公知常识，技术人员可以推导出具有3个以上的 执行器故障情况下的刚体系统的状态表达式。
[0032] 刚体系统的执行器的故障模型为：
[0033]
[0034] 其中\表示所述刚体系统在运行过程中随机发生的故障时间，j表示1、2或3中 的某一个数，u,表示可能发生故障的执行器对系统的作用力矩。
[0035] 当刚体系统由于执行器发生故障时，刚体系统的控制信号输入表示为
[0036] =+ ，即本实施例中针对控制目标所设计的控制信号，作 用于刚体系统的控制输入。
[0037] 其中￥(1：) = [￥1(1：)，￥2(1：)，￥3(1：)]1表示控制器的控制信号， 印表示故障向量， 0 ⑴zdiagtojt)，〇2(t)，〇3(t)}，当第j个执 行器发生故障〇 #) = 1，否则〇 ,(t) = 0。
[0038] 具体的，以刚体系统具有3个执行器故障情况为例，控制器可以表示为：
[0039] 针对第一故障情况，所述第一故障情况为所述刚体系统中的执行器无故障，〇 u) =diag{0,0,0}，ujt) =vjt)，i= 1，2,3,所设置的控制器为：
[0040]
[0041] 针对第二故障情况，所述第二故障情况为所述刚体系统中的执行器1发生故障， 0⑵=diag{l，0,0}，ui(t) = 0,t彡Ui(t) =Vi(t)，i= 2,3,所设置的控制器为：
[0042]
[0043] 针对第三故障情况，所述第三故障情况为所述刚体系统中的执行器3发生故障， 〇 (3) =diag{0,0,1}，u3(t) = 0,t彡t3,U; (t) =vjt)，i= 1，2,所设置的控制器为：
[0044]
[0045] 其中，A(A_A)，A(A_A)，A(A_A)，控制参数cu〉0，i= 1， 2,3,（^> 0,i= 1，2,j=l，2〇y0i> 0，人 0声 0,i= 1，3,E= { 〇(J)，j= 1，2,3} 〇 需 要说明的是，参照上述表达式并结合本领域的公知常识，技术人员可以推导出具有3个以 上的执行器故障情况下的刚体系统的控制器的表达式。在本实施例