一种考虑随机时延的风机控制系统容错控制方法技术方案

一种考虑随机时延的风机控制系统容错控制方法，包括：考虑外部扰动的影响，建立风机转矩控制系统的状态空间方程，考虑网络控制系统中的执行器故障，应用输入时滞和伯努利分布得到改进的系统状态方程；采用李雅普诺夫稳定性分析方法，得到控制器的约束条件矩阵；通过矩阵不等式计算求取状态反馈控制器增益矩阵本发明专利技术考虑具有执行器故障和随机时滞的风机转矩控制控制系统，建立了闭环控制系统模型，给出了闭环系统渐近稳定和容错控制的解决方法；建立了包含随机时滞信息的李雅普诺夫

【技术实现步骤摘要】
一种考虑随机时延的风机控制系统容错控制方法


[0001]本专利技术涉及风机控制系统控制领域，具体的，涉及一种考虑了随机时延和执行器故障的风机控制系统的采样数据控制方法，该方法能够使系统稳定并满足性能，进行容错控制。

技术介绍

[0002]风机控制系统通过通信网络将传感器、控制器、被控对象等各个单元连接。在风机控制系统中不可避免地会遇到各种扰动，这可能会导致系统不稳定和性能下降。传统的控制方法通过连续时间信号实现，而在风机控制系统中往往需要数字信号实现。众所周知，实际系统中的大多数控制器都是采用数字技术设计。因此，能够直接为连续时间系统设计数字控制器的采样数据控制方式得到广泛地应用。目前主要有三种方法用于研究采样数据控制：离散化方法、脉冲模型法以及输入时滞法。与前两种方法相比，输入时滞法将传统的采样数据系统重构为时延系统，具有采样间隔无需恒定的优势。针对具有输入时滞的采样控制系统，研究人员已经提出许多先进的矩阵不等式来建立系统的稳定性条件。这些方法中，互补凸矩阵不等式通过将非凸项合并为一个表达式来获得精确的凸不等式，这已被证明是改进稳定性准则的有效方法。
[0003]但值得注意的是，现有的采样控制方法是通过确定性采样并且系统没有故障的假设下设计的。但由于实际控制系统中的各种外部随机因素或通信干扰，时滞实际上以随机形式出现。而且系统的结构不可能是固定不变的，因为风机控制系统中故障发生是不可避免、难以预测的，会导致系统不稳定和性能降级。
[0004]综上，如何能够设计一种控制器，使得闭环系统渐近稳定并且受控输出以及外部输入低于性能的规定指标，使风机转矩控制系统出现故障时稳定，并且具有良好的鲁棒性能和更低的保守性成为现有技术亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提出一种考虑随机时延的风机控制系统容错控制方法，给出了状态反馈控制器，使得系统在故障发生时稳定并获得更小的保守性和良好的鲁棒性。
[0006]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种考虑随机时延的风机控制系统容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0008]状态空间方程控制步骤S110：
[0009]考虑外部扰动的影响，建立风机转矩控制系统的状态空间方程：
[0010][0011]其中表示系统的状态变量，表示系统被控输出，表示控制输入，表示外部扰动，其中分别表示n、l、p、q维的欧几里得空
间，A,B,C,Q,D为合适维数的已知参数矩阵；
[0012]采样H
∞
控制器构造步骤S120：
[0013]考虑网络控制系统中的执行器故障，引入控制信号u
F
(t)，应用采用控制中输入时滞处理离散采样时刻t
m
，应用伯努利分布来描述随机时滞，得到改进的系统状态方程，
[0014][0015]约束条件矩阵设计步骤S130：
[0016]整合相关引理，根据具有随机时滞和执行器故障的模型采用李雅普诺夫稳定性分析方法，得到网络控制系统渐近稳定并且满足H
∞
容错控制器的具有鲁棒稳定性能的控制器的约束条件矩阵；
[0017]状态反馈控制器增益矩阵计算步骤S140：
[0018]通过矩阵不等式计算求取状态反馈控制器增益矩阵
[0019]本专利技术进一步公开了一种存储介质，用于存储计算机可执行指令，其特征在于：
[0020]所述计算机可执行指令在被处理器执行时执行上述的考虑随机时延和执行器故障的风机转矩控制系统的容错采样控制方法。
[0021]本专利技术具有如下的优点：
[0022]1)本专利技术针对考虑具有执行器故障和随机时滞的风机转矩控制控制系统，同时考虑了系统中外部扰动的影响。建立了闭环控制系统模型，给出了闭环系统渐近稳定和容错控制的解决方法；
[0023]2)本专利技术考虑风机转矩控制系统中存在的随机时滞的情况，建立了包含随机时滞信息的李雅普诺夫
‑
克拉索夫斯基函数，基于拓展互补凸优化矩阵法对时滞进行分析和处理，得到使系统稳定的充分条件，并显著降低了系统的保守性；
[0024]3)本专利技术应用于典型的风机转矩控制系统，可以获得良好的性能特性，证明本专利技术在实际风机转矩控制系统中的有效应用前景。
附图说明
[0025]图1是根据本专利技术具体实施例的考虑随机时延的风机控制系统容错控制方法的流程图；
[0026]图2是根据本专利技术具体实施例的ζ(t)的伯努利概率分布的示意图；
[0027]图3是根据本专利技术具体实施例的系统控制性能的示意图。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部结构。
[0029]本专利技术提出一种考虑随机时延的风机控制系统容错控制方法，充分考虑了风机转矩控制系统中的随机时延、执行器故障以及外部扰动的问题，通过李雅普诺夫稳定性理论
和扩展的互补凸矩阵不等式技术，给出状态反馈控制器设计方法，使得系统在故障发生时稳定并获得更小的保守性和良好的鲁棒性。
[0030]具体的，参见图1，示出了根据本专利技术具体实施例的考虑随机时延的风机控制系统容错控制方法的流程图，该方法包括如下步骤：
[0031]状态空间方程控制步骤S110：
[0032]考虑外部扰动的影响，建立风机转矩控制系统的状态空间方程：
[0033][0034]其中表示系统的状态变量，表示系统被控输出，表示控制输入，表示外部扰动，其中分别表示n、l、p、q维的欧几里得空间，A,B,C,Q,D为合适维数的已知参数矩阵；
[0035]采样H
∞
控制器构造步骤S120：
[0036]考虑网络控制系统中的执行器故障，引入控制信号u
F
(t)，应用采用控制中输入时滞处理离散采样时刻t
m
，应用伯努利分布来描述随机时滞，得到改进的系统状态方程。
[0037]具体的，该步骤包括如下子步骤：
[0038]引入控制信号u
F
(t)子步骤S121:
[0039]由于风机转矩控制系统中存在控制信号故障，因此传统状态反馈控制设计并不适用于风机转矩控制系统。该子步骤考虑风机转矩控制系统中的执行器故障，引入u
F
(t)来描述控制信号，用于表征系统模型中的故障情况：
[0040]u
F
(t)＝Gu(t)
ꢀꢀ
(34)
[0041]其中G为执行器故障矩阵，是由g1,g2,...,g
m
构成的对角矩阵，满足0≤g
r
≤1，g
r
＝1表明第r个执行器是正常的，如果0＜g
r
＜1表明第r个执行器发生部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑随机时延的风机控制系统容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：状态空间方程控制步骤S110：考虑外部扰动的影响，建立风机转矩控制系统的状态空间方程：其中表示系统的状态变量，表示系统被控输出，表示控制输入，表示外部扰动，其中分别表示n、l、p、q维的欧几里得空间；A,B,C,Q,D为合适维数的已知参数矩阵；采样H
∞
控制器构造步骤S120：考虑网络控制系统中的执行器故障，引入控制信号u
F
(t)，应用采用控制中输入时滞处理离散采样时刻t
m
，应用伯努利分布来描述随机时滞，得到改进的系统状态方程，L(t)＝Qx(t)约束条件矩阵设计步骤S130：整合相关引理，根据具有随机时滞和执行器故障的模型采用李雅普诺夫稳定性分析方法，得到网络控制系统渐近稳定并且满足H
∞
容错控制器的具有鲁棒稳定性能的控制器的约束条件矩阵；状态反馈控制器增益矩阵κ计算步骤S140：通过矩阵不等式计算求取状态反馈控制器增益矩阵κ。2.根据权利要求1所述的风机控制系统容错控制方法，其特征在于，所述采样H
∞
控制器构造步骤S120具体为：引入控制信号u
F
(t)子步骤S121:考虑风机转矩控制系统中的执行器故障，引入u
F
(t)来描述控制信号，用于表征系统模型中的故障情况：u
F
(t)＝Gu(t)
ꢀꢀꢀ
(3)其中G为执行器故障矩阵，是由g1,g2,...,g
m
构成的对角矩阵，满足0≤g
r
≤1，g
r
＝1表明第r个执行器是正常的，如果0＜g
r
＜1表明第r个执行器发生部分故障，而g
r
＝0则表明第r个执行器彻底损坏；处理离散采样时刻t
m
子步骤S122：假设在进入网络之前，基于零阶保持电路和采样程序对控制器u(t)进行了采样，t
m
(m＝0,1,...)表示采样时刻，满足0≤t0＜t1＜
…
＜t
m
＜
…
且随后状态反馈控制器被描述为：κ为状态反馈增益矩阵，因此系统动态方程可以被描述为：
上述闭环系统中同时包含连续信号和离散信号，通过使用采样数据变换，引入输入时滞法处理这种情况，采样时刻t
m
被定义为：t
m
＝t
‑
(t
‑
t
m
)＝t
‑
h(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)此时控制器被描述为u(t)＝u(t
m
)＝u(t
‑
h(t)),t
m
≤t≤t
m+1
，其中u(t
m
)为离散时间控制输入，h(t)为时变时滞，满足h0≤h(t)≤h2，h0和h2为给定常量；应用伯努利分布改进系统状态方程子步骤S123:在该子步骤中通过伯努利分布来描述随机时滞，引入两个集合描述h(t)的概率分布：其中h1∈[h0,h2]，表示h(t)∈[h0,h1)的情况发生；表示h(t)∈[h1,h2]的情况发生，假设两种情况发生的概率分别为和接着引入伯努利分布序列ξ(t)：即ξ(t)满足概率即ξ(t)满足概率其中表示ξ(t)的数学期望，ξ0为属于区间[0,1]的常量，表示事件发生的概率，能够看出引入两个时滞变量和满足h0≤h1(t)≤h1且h1≤h2(t)≤h2，通过考虑随机时滞，系统状态方程可以表示为：其等价形式可以表示为：L(t)＝Qx(t)3.根据权利要求1或2所述的风机控制系统容错控制方法，其特征在于，所述约束条件矩阵设计步骤S130具体为：引理整理子步骤S131：整理如下三个证明主要结论所必需的引理，引理1：对于任何给定矩阵R＞0，给定标量m和n且m＜n，令向量x:[m,n]为可导函数，则
不等式成立：其中τ1＝x(n)
‑
x(m)，引理2：对于任何给定矩阵R＞0，给定标量m和n且m＜n，对于任何可积函数x:[m,n]，以下不等式成立：引理3：对于正标量β,λ∈(0,...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雅宾，孙晓刚，褚孝国，翁存兴，王传鑫，
申请(专利权)人：华能集团技术创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：