反馈控制系统认知不确定传播建模的确信可靠性评估方法技术方案

本发明专利技术提供一种反馈控制系统认知不确定传播建模的确信可靠性评估方法，包括步骤：S1、对反馈控制系统进行属性分析；S2、对系统进行不确定性来源分析；S3、根据分析对系统关键部件建模，得到关键部件的认知不确定性退化模型；S4、利用状态空间法对系统建模，得到系统模型；S5、根据关键部件的认知不确定性退化模型及系统模型，建立系统认知不确定性退化模型；S6、对退化模型中的待拟合参数进行参数拟合；S7、依据反馈控制系统确信可靠度表达式，对反馈控制系统进行基于不确定传播的确信可靠性定量评估。本发明专利技术有效反映环境应力对系统部件退化的影响，将系统稳态误差作为关键性能参数，完成反馈控制系统的认知不确定传播与确信可靠性评估。可靠性评估。可靠性评估。

【技术实现步骤摘要】
反馈控制系统认知不确定传播建模的确信可靠性评估方法


[0001]本专利技术属于确信可靠性评估
，具体涉及一种反馈控制系统认知不确定传播建模的确信可靠性评估方法。

技术介绍

[0002]控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统，表现出的主要特点是系统按照拟定的程序控制被控对象自动运行。反馈控制是自动控制的主要形式，反馈控制基于系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为例如输出与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。反馈控制系统具有抑制干扰输出稳定的特点，在各领域中都得到了广泛的应用。随着科技的快速发展，控制系统进一步向着复杂化、精密化发展，与此同时，控制系统的可靠运行也受到越来越多的关注。
[0003]然而，复杂结构和高可靠性要求对控制系统的设计和评估提出了更大的挑战。由于数据和知识的缺乏，在可靠性评价过程中普遍存在着认知不确定性，但反馈控制系统的非线性特点增加了量化认知不确定性的难度。此外，由于反馈补偿机制的存在，不确定性传播过程难以描述。研究认知不确定性传播方法是进行控制系统可靠性评估的基础，通过量化认知不确定性在反馈控制系统中的传播，对系统进行确信可靠性评估具有重要的工程意义。
[0004]控制系统可靠性评估方法可分为总体评估和从部件到系统评估两大类。对于第一种方法，研究主要集中在基于性能参数的可靠性评估上。现有研究中，二次稳定性判据、特征值标准差、首达时间等被作为关键性能参数，用于控制系统的可靠性评估，但工作应力对性能参数退化的影响，以及性能参数退化对系统输出的影响，在现有的研究中难以描述。对于第二种从部件到系统的评估方法，研究多集中在对关键脆弱部件的退化建模，以及基于系统建模的可靠性评估。由于部件在长期运行过程中，由于运行负荷和环境应力的影响，构件的性能退化是不可避免的，通常采用Gamma过程、Wiener过程、逆高斯过程和修正高斯过程等随机过程来描述部件退化状态的变化趋势。系统建模方法包括故障树、事件树、马尔可夫和GO
‑
FLOW模型等等。然而，只有对部件的退化有一个深刻而清晰的认识，才能准确地反映系统的可靠性程度。但数据和知识的缺乏给定量过程带来了大量的认知不确定性，建模过程也导致了不确定性的进一步传播。
[0005]在控制系统可靠性评估领域，研究多集中在对随机不确定性的量化上，对认知不确定量化研究较少。在其他领域中，认知不确定性量化方法如非精确概率方法，如贝叶斯定理、区间分析理论或证据理论和模糊方法被应用。然而，由于乘积定理的使用，不精确概率方法在从单元到系统的可靠性分析中往往存在着将认知不确定性的影响过度放大的问题。此外，用于量化认知不确定性的模糊理论不满足正态公理，往往使可靠性与不可靠性之和不等于1，难以满足工程应用中对可靠性的要求。
[0006]现有的关于控制系统的认知不确定性的研究还不够充分，关于认知不确定性传播
与量化的方法更是少之又少。因此，寻求一种反馈控制系统认知不确定传播建模的确信可靠性定量评估方法是十分迫切且必要的。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对上述现有技术中的缺陷，提出一种反馈控制系统认知不确定传播建模的确信可靠性评估方法，该方法通过系统分析、不确定性来源分析、部件退化建模、系统建模、系统退化建模、模型参数拟合来进行反馈控制系统确信可靠性评估。该专利技术结合部件退化过程的不确定性以及部件不确定到系统不确定的传播过程，建立系统认知不确定性退化模型，有效量化反馈控制系统中的认知不确定性并完成认知不确定性传播与确信可靠性评估。
[0008]本专利技术的一种反馈控制系统认知不确定传播建模的确信可靠性评估方法，其包括以下步骤：
[0009]S1、对反馈控制系统进行属性分析；
[0010]S2、根据属性分析结果对反馈控制系统进行不确定性来源分析；
[0011]所述不确定性来源分析包括部件的退化分析以及由部件到反馈控制系统的认知不确定性传播分析；
[0012]S3、根据分析对反馈控制系统的关键部件进行包含认知不确定性因素的退化建模，得到关键部件的认知不确定性退化模型；
[0013]所述关键部件的认知不确定性退化模型包括控制器认知不确定性退化模型、执行器认知不确定性退化模型及传感器认知不确定性退化模型：
[0014]S4、利用状态空间法对反馈控制系统进行系统建模，得到系统模型；
[0015]S5、根据所述关键部件的认知不确定性退化模型及所述系统模型，建立系统认知不确定性退化模型为：
[0016][0017]y(t)＝Cx(t)
[0018][0019]其中，为x(t)的导数；x(t)为反馈控制系统状态变量；A为系统矩阵；B为控制矩阵；C为输出矩阵；e
a
(s)为执行器漂移系数；t为时间；σ
a
为执行器扩散系数；C(t)是针对时间t的过程函数；X
ath
为执行器失效阈值；为单位对角矩阵；r(t)为控制系统参考输入；为r(t)的积分式；为r(t)的微分式；k为传感器比例系数；e
s
(s)为传感器漂移系数；σ
s
为传感器扩散系数；X
sth
为传感器失效阈值；y(t)为反馈控制系统输出；
为y(t)的积分式；为y(t)的微分式；K
P
为控制器比例增益，K
I
为控制器积分增益，K
D
为控制器微分增益；e
c
(s)为控制器漂移系数；σ
c
为控制器扩散系数；a1、a2、a3为控制器比例系数；
[0020]S6、对所建立的系统认知不确定性退化模型中的待拟合参数进行参数拟合；
[0021]S7、依据反馈控制系统确信可靠度表达式，对反馈控制系统进行基于不确定传播的确信可靠性定量评估；
[0022]所述反馈控制系统确信可靠度表达式为：
[0023]R
B
(t)＝M{y
I
(t)
‑
y
ss
(t)＜M
th
}∧M{y
I
(t)
‑
y
ss
(t)＞
‑
M
th
}
[0024]其中，R
B
为确信可靠度，M为不确定测度，M
th
为性能参数阈值，y
I
(t)为反馈控制系统目标输出值，根据控制系统控制要求确定；y
ss
(t)为反馈控制系统实际稳态输出值，根据系统运行状态依据系统认知不确定性退化模型获得。
[0025]进一步地，所述步骤S3中的控制器认知不确定性退化模型为：
[0026]X
c
(s,t)＝e
c
(s)t+σ
c
C(t)(e
c
(s)＞0,σ
c
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种反馈控制系统认知不确定传播建模的确信可靠性评估方法，其特征在于，其包括以下步骤：S1、对反馈控制系统进行属性分析；S2、根据属性分析结果对反馈控制系统进行不确定性来源分析；所述不确定性来源分析包括部件的退化分析以及由部件到反馈控制系统的认知不确定性传播分析；S3、根据分析对反馈控制系统的关键部件进行包含认知不确定性因素的退化建模，得到关键部件的认知不确定性退化模型；所述关键部件的认知不确定性退化模型包括控制器认知不确定性退化模型、执行器认知不确定性退化模型及传感器认知不确定性退化模型：S4、利用状态空间法对反馈控制系统进行系统建模，得到系统模型；S5、根据所述关键部件的认知不确定性退化模型及所述系统模型，建立系统认知不确定性退化模型为：y(t)＝Cx(t)其中，为x(t)的导数；x(t)为反馈控制系统状态变量；A为系统矩阵；B为控制矩阵；C为输出矩阵；e
a
(s)为执行器漂移系数；t为时间；σ
a
为执行器扩散系数；C(t)为针对时间t的过程函数；X
ath
为执行器失效阈值；为单位对角矩阵；r(t)为控制系统参考输入；为r(t)的积分式；为r(t)的微分式；k为传感器比例系数；e
s
(s)为传感器漂移系数；σ
s
为传感器扩散系数；X
sth
为传感器失效阈值；y(t)为反馈控制系统输出；为y(t)的积分式；为y(t)的微分式；K
P
为控制器比例增益，K
I
为控制器积分增益，K
D
为控制器微分增益；e
c
(s)为控制器漂移系数；σ
c
为控制器扩散系数；a1、a2、a3为控制器比例系数；S6、对所建立的系统认知不确定性退化模型中的待拟合参数进行参数拟合；S7、依据反馈控制系统确信可靠度表达式，对反馈控制系统进行基于不确定传播的确信可靠性定量评估；所述反馈控制系统确信可靠度表达式为：R
B
(t)＝M{y
I
(t)
‑
y
ss
(t)＜M
th
}∧M{y
I
(t)
‑
y
ss
(t)＞
‑
M
th
}其中，R
B
为确信可靠度，M为不确定测度，M
th
为性能参数阈值，y
I
(t)为反馈控制系统目标输出值，根据控制系统控制要求确定；y
ss
(t)为反馈控制系统实际稳态输出值，根据系统运
行状态依据系统认知不确定性退化模型获得。2.根据权利要求1所述的反馈控制系统认知不确定传播建模的确信可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S3中的控制器认知不确定性退化模型为：X
c
(s,t)＝e
c
(s)t+σ
c
C(t) (e
c
(s)＞0,σ
c
＞0)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，下标c代表控制器，X
c
(s,t)为控制器退化量，t是时间，s表示环境应力，e
c
(s)为控制器漂移系数，它反映控制器退化速率，是一个与环境应力有关的函数，σ
c
为控制器扩散系数，A
m
是与材料相关的常数，T
e
是控制器的环境温度，k是Boltzmann常数，E
a
是激活能。3.根据权利要求1所述的反馈控制系统认知不确定传播建模的确信可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S3中的执行器认知不确定性退化模型为：X
a
(s,t)＝e
a
(s)t+σ
a
C(t) (e
a
(s)＞0,σ
a<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈颖，王艳芳，康锐，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：