本發(fā)明涉及一種基于動(dòng)靜混合策略的故障檢測(cè)與重構(gòu)系統(tǒng)及方法，應(yīng)用于航天器、機(jī)電、化工等控制對(duì)象的高可靠性控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，航天器、機(jī)電、化工等領(lǐng)域所涉及的控制任務(wù)日益復(fù)雜，控制系統(tǒng)的規(guī)模也日益龐大，系統(tǒng)中可能發(fā)生故障的因素大幅增加，故障類型也日趨多樣，上述趨勢(shì)對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，傳統(tǒng)的故障檢測(cè)與容錯(cuò)控制方法遇到了新的挑戰(zhàn)。以航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的故障因素包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障(如飛輪失效或卡死)、傳感器故障(如陀螺儀失效)、通訊故障(如信號(hào)中斷或傳輸丟包)、控制芯片故障、電源故障等，以上故障來源不一、類型多樣，輕則會(huì)導(dǎo)致航天器姿態(tài)控制性能下降，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)崩潰，造成難以估量的損失。

傳統(tǒng)的故障檢測(cè)方法主要分為兩類，一類是基于假設(shè)檢驗(yàn)的故障檢測(cè)方法；另一類是基于觀測(cè)器的故障檢測(cè)方法。前者通過構(gòu)造與系統(tǒng)狀態(tài)相關(guān)的某一統(tǒng)計(jì)量，將統(tǒng)計(jì)量與某一事先給定的閾值進(jìn)行比較，若超出該閾值時(shí)即判斷故障發(fā)生；后者根據(jù)系統(tǒng)模型構(gòu)造狀態(tài)觀測(cè)器，通過狀態(tài)估計(jì)的殘差序列判斷是否有故障發(fā)生。值得注意的是，現(xiàn)有的故障檢測(cè)方法大都未考慮傳感器的運(yùn)行成本，事實(shí)上，控制系統(tǒng)在多數(shù)時(shí)間里都是出于正常工作的狀態(tài)，此時(shí)若開啟大量的傳感器將導(dǎo)致一定程度的資源浪費(fèi)。因此，在尚未檢測(cè)出故障時(shí)，僅需開啟部分傳感器監(jiān)視系統(tǒng)行為，當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似故障行為時(shí)再開啟更多的傳感器，對(duì)故障類型進(jìn)行準(zhǔn)確辨識(shí)，并據(jù)此進(jìn)行控制分配和系統(tǒng)重構(gòu)。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，現(xiàn)有的容錯(cuò)控制方法包括基于魯棒控制的方法和基于自適應(yīng)控制的方法。其中，基于魯棒控制的方法通過設(shè)計(jì)魯棒控制器，使得系統(tǒng)無論處于何種故障狀態(tài)下都能夠穩(wěn)定，基于魯棒控制的方法由于采用固定的控制器來應(yīng)對(duì)所有的故障情形，所以不可避免地具有很大的保守性；基于自適應(yīng)控制的方法通過系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)辨識(shí)，不斷更新控制器參數(shù)，該方法可有效降低保守性，但控制器的時(shí)變特性給閉環(huán)穩(wěn)定性分析造成了很大的困難。為克服現(xiàn)有容錯(cuò)控制方法的以上不足，本發(fā)明提出了基于模型選擇的故障類型辨識(shí)方法，并基于故障類型設(shè)計(jì)控制分配方案和反饋控制律鎮(zhèn)定閉環(huán)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對(duì)現(xiàn)有故障檢測(cè)與容錯(cuò)控制方法在故障監(jiān)視過程中未考慮傳感器配置，導(dǎo)致傳感器資源浪費(fèi)；且對(duì)故障模型信息利用不充分，系統(tǒng)重構(gòu)方案存在保守性的問題，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于動(dòng)靜混合策略的故障檢測(cè)與重構(gòu)系統(tǒng)及方法，解決在多類可能故障的情形下控制系統(tǒng)的故障監(jiān)視、檢測(cè)、辨識(shí)、重構(gòu)以及閉環(huán)系統(tǒng)鎮(zhèn)定問題，在降低傳感器能耗的同時(shí)，保證控制系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種基于動(dòng)靜混合策略的故障檢測(cè)與重構(gòu)系統(tǒng)，如圖2所示，由傳感器調(diào)度單元、故障檢測(cè)單元、故障類型辨識(shí)單元、系統(tǒng)重構(gòu)單元組成，用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)故障檢測(cè)與重構(gòu)，所述控制系統(tǒng)由被控對(duì)象、傳感器和反饋控制器組成；控制系統(tǒng)的工作模式包括正常模式和多種故障應(yīng)對(duì)模式；

傳感器調(diào)度單元根據(jù)控制系統(tǒng)當(dāng)前的工作模式，對(duì)傳感器配置方案進(jìn)行優(yōu)化，在保證故障檢測(cè)性能的同時(shí)，減小能量消耗；故障檢測(cè)單元根據(jù)傳感器的當(dāng)前量測(cè)信息，判斷控制系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障；如果判斷出現(xiàn)故障，則由故障類型辨識(shí)單元根據(jù)傳感器量測(cè)信息進(jìn)一步辨識(shí)故障類型；系統(tǒng)重構(gòu)單元根據(jù)故障類型辨識(shí)單元輸出的故障類型對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)；反饋控制器則用于鎮(zhèn)定重構(gòu)后的控制系統(tǒng)。

本發(fā)明的一種基于動(dòng)靜混合策略的故障檢測(cè)與重構(gòu)方法，包括以下步驟：

第一步，根據(jù)控制系統(tǒng)當(dāng)前工作模式，對(duì)傳感器調(diào)度單元和故障檢測(cè)單元進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，確定傳感器配置方案，即哪些傳感器需要開啟，并構(gòu)造相應(yīng)的故障檢測(cè)方案，使得故障檢測(cè)系統(tǒng)能夠滿足所給定故障檢測(cè)性能，同時(shí)盡量降低傳感器的能量消耗；

第二步，根據(jù)第一步所確定的傳感器配置方案和故障檢測(cè)方案，故障檢測(cè)單元接收傳感器的實(shí)時(shí)量測(cè)信息，判斷當(dāng)前時(shí)刻是否有故障發(fā)生，當(dāng)故障檢測(cè)單元判斷有故障發(fā)生后，將更新故障標(biāo)識(shí)信號(hào)，從而激活故障類型辨識(shí)單元，故障類型辨識(shí)單元接收到故障標(biāo)識(shí)信號(hào)后，將故障檢測(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入故障應(yīng)對(duì)模式，即開啟更多傳感器，或以更高頻率采樣，從而獲得更多的關(guān)于控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息；故障類型辨識(shí)單元根據(jù)所獲得的量測(cè)信息，通過求解多模型選擇問題，實(shí)現(xiàn)故障類型的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確辨識(shí)；

第三步，系統(tǒng)重構(gòu)單元根據(jù)第二步所辨識(shí)得到的故障類型，構(gòu)造相應(yīng)的控制分配方案，即利用被控對(duì)象的控制冗余度，完成基于控制分配的系統(tǒng)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多類可能故障情形下控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)故障檢測(cè)與自主重構(gòu)。

所述第一步中的傳感器調(diào)度單元和故障檢測(cè)單元聯(lián)合優(yōu)化，其具體實(shí)現(xiàn)如下：

(1)首先，建立控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型：

其中，xk為k時(shí)刻系統(tǒng)∑的狀態(tài)變量；uk為k時(shí)刻的控制輸入；ωk為高斯噪聲，用來描述k時(shí)刻模型誤差和外部干擾的綜合作用；為k時(shí)刻第s個(gè)傳感器輸出的量測(cè)值；為高斯噪聲，表示k時(shí)刻第s個(gè)傳感器的量測(cè)噪聲，通常情況下各個(gè)傳感器的量測(cè)噪聲相互獨(dú)立；a(ηk,rk),b(ηk,rk),c^s為參數(shù)矩陣，其中rk∈{0,1,...,m}表示k時(shí)刻系統(tǒng)∑的工作模式，序列{rk}k≥1為馬爾科夫鏈，其轉(zhuǎn)移概率滿足p(rk+1＝j(luò)|rk＝i)＝{πr}i,j，πr表為已知的狀態(tài)轉(zhuǎn)移陣，{πr}i,j表示πr的第i行、第j列元素；ηk∈{0,1,...,m}表示k時(shí)刻系統(tǒng)∑的控制分配狀態(tài)，當(dāng)ηk和rk已知時(shí)，相應(yīng)的a(ηk,rk),b(ηk,rk)也是已知的；

(2)其次，定義故障檢測(cè)延時(shí)和虛警率兩個(gè)故障檢測(cè)性能指標(biāo)，其中，t為故障發(fā)生時(shí)刻，td為故障發(fā)現(xiàn)時(shí)刻，事件h0表示當(dāng)前時(shí)刻控制系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，事件d1表示當(dāng)前時(shí)刻檢測(cè)出故障；

(3)最后，定義傳感器配置矩陣其中，為傳感器選擇變量，中表示第s個(gè)傳感器在第k時(shí)刻處于開啟狀態(tài)；表示第s個(gè)傳感器在第k時(shí)刻處于關(guān)閉狀態(tài)，求解如下帶約束的優(yōu)化問題：

其中，trace(υk)表示矩陣υk的跡，即處于開啟狀態(tài)的傳感器的數(shù)目，β0和μd0分別為預(yù)先給定的虛警率和故障檢測(cè)延時(shí)的上界，用于表征故障檢測(cè)性能，優(yōu)化問題(1)的最優(yōu)解為其中，給出最優(yōu)的傳感器配置方案，給出最優(yōu)故障檢測(cè)方案，即故障檢測(cè)單元何時(shí)判斷故障發(fā)生，并輸出故障標(biāo)識(shí)信號(hào)。

第二步中所述的多模型選擇問題，其具體實(shí)現(xiàn)如下：

將第時(shí)刻到第k時(shí)刻(此處假設(shè))故障類型辨識(shí)單元所獲得的量測(cè)信息記為故障類型辨識(shí)單元通過求解如下的極大似然估計(jì)問題實(shí)現(xiàn)多模型選擇：

優(yōu)化問題(2)的最優(yōu)解為i^*，則故障類型辨識(shí)單元將輸出故障類型i^*，即判斷系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行于第i^*種故障狀態(tài)。

所述第三步中的控制分配方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)重構(gòu)，包括以下步驟：

(1)控制分配方案設(shè)計(jì)：對(duì)于每一種故障狀態(tài)rk，選擇相應(yīng)的控制分配方案ηk對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)；

(2)控制系統(tǒng)鎮(zhèn)定：根據(jù)所確定的故障類型和控制分配方案，建立重構(gòu)后控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型

此時(shí)a(ηk,rk),b(ηk,rk)均為已知，系統(tǒng)∑為線性定常系統(tǒng)，根據(jù)該狀態(tài)空間模型，設(shè)計(jì)反饋控制律uk＝k(yk)，保證閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明的控制系統(tǒng)故障檢測(cè)與重構(gòu)方案采用了動(dòng)靜混合策略，在未檢測(cè)出故障時(shí)，僅開啟一部分傳感器用于故障監(jiān)視；在檢測(cè)出故障時(shí)，開啟更多傳感器或切換到更高的采樣頻率，以獲得更豐富的量測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)基于故障模型的極大似然估計(jì)；相對(duì)于現(xiàn)有的故障檢測(cè)和容錯(cuò)控制方法，本發(fā)明提出的方案在傳感器能耗和故障分辨能力方面均有較大改善；且本發(fā)明方案結(jié)合了靜態(tài)的故障監(jiān)視與動(dòng)態(tài)的故障類型辨識(shí)與控制系統(tǒng)重構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的故障檢測(cè)與容錯(cuò)控制方案，能有效處理多類潛在故障，實(shí)時(shí)性提高，能耗減低。

(2)本發(fā)明不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)故障監(jiān)測(cè)，還能夠在故障發(fā)生時(shí)，采用基于極大似然估計(jì)的模型選擇算法準(zhǔn)確地辨識(shí)出故障的類型，并根據(jù)故障類型設(shè)計(jì)控制分配方案，實(shí)現(xiàn)故障情形下的系統(tǒng)重構(gòu)，最后，通過合理設(shè)計(jì)反饋控制律保證閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定；相對(duì)于現(xiàn)有的基于魯棒或自適應(yīng)方法的容錯(cuò)控制方案，本發(fā)明提出的方案能夠更充分地利用故障模型的信息，有效改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

總之，本發(fā)明涉及一種基于動(dòng)靜混合策略的故障檢測(cè)與重構(gòu)系統(tǒng)及方法，針對(duì)具有控制系統(tǒng)面臨的多種可能故障，采用動(dòng)靜混合的故障檢測(cè)與控制分配方案，與傳統(tǒng)的故障檢測(cè)與容錯(cuò)控制方法相比，能夠在降低傳感器能耗的同時(shí)，保證故障發(fā)生時(shí)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、辨識(shí)、重構(gòu)與閉環(huán)系統(tǒng)鎮(zhèn)定，擴(kuò)展了傳統(tǒng)故障檢測(cè)和重構(gòu)方案適用范圍，可應(yīng)用于航天器、機(jī)電、化工等控制對(duì)象的高可靠性控制問題。

附圖說明

圖1為發(fā)明基于動(dòng)靜混合策略的控制系統(tǒng)故障檢測(cè)與重構(gòu)方法的流程圖；

圖2為發(fā)明基于動(dòng)靜混合策略的控制系統(tǒng)故障檢測(cè)與重構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明針對(duì)一類含多種可能故障的控制系統(tǒng)，目標(biāo)是通過對(duì)傳感器的高效配置和對(duì)控制方案的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在沒有故障發(fā)生時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在有故障發(fā)生時(shí)，準(zhǔn)確辨識(shí)故障類型并及時(shí)隔離故障。首先，根據(jù)控制系統(tǒng)當(dāng)前工作模式，對(duì)故障檢測(cè)器和傳感器配置方案進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，在保證故障檢測(cè)性能的前提下，使系統(tǒng)的能量消耗盡量減??；其次，當(dāng)有故障被檢測(cè)出時(shí)，通過求解多模型選擇問題，實(shí)現(xiàn)故障類型的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確辨識(shí)；最后，根據(jù)所辨識(shí)的故障類型，通過設(shè)計(jì)合理的切換控制方案，完成控制分配和系統(tǒng)鎮(zhèn)定，實(shí)現(xiàn)多類可能故障情形下控制系統(tǒng)的自主故障檢測(cè)與重構(gòu)。本發(fā)明方案結(jié)合了靜態(tài)的故障監(jiān)視與動(dòng)態(tài)的故障類型辨識(shí)與控制系統(tǒng)重構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的故障檢測(cè)與容錯(cuò)控制方案，能有效處理多類潛在故障，實(shí)時(shí)性提高，能耗減低，可應(yīng)用于航天器、機(jī)電、化工等控制對(duì)象的高可靠性控制問題。

如圖1所示，本發(fā)明具體步驟如下：

第一步，傳感器配置方案和故障檢測(cè)器聯(lián)合優(yōu)化

考慮由如下狀態(tài)空間模型描述的離散被控對(duì)象：

其中，xk為k時(shí)刻系統(tǒng)∑的狀態(tài)變量；uk為k時(shí)刻的控制輸入；ωk為高斯噪聲，用來描述k時(shí)刻模型誤差和外部干擾的綜合作用；為k時(shí)刻第s個(gè)傳感器輸出的量測(cè)值；為高斯噪聲，表示k時(shí)刻第s個(gè)傳感器的量測(cè)噪聲，通常情況下各個(gè)傳感器的量測(cè)噪聲相互獨(dú)立；a(ηk,rk),b(ηk,rk),c^s為參數(shù)矩陣，其中rk∈{0,1,...,m}表示k時(shí)刻系統(tǒng)∑的工作模式，序列{rk}k≥1為馬爾科夫鏈，其轉(zhuǎn)移概率滿足p(rk+1＝j(luò)|rk＝i)＝{πr}i,j，πr表為已知的狀態(tài)轉(zhuǎn)移陣，{πr}i,j表示πr的第i行、第j列元素；ηk∈{0,1,...,m}表示k時(shí)刻系統(tǒng)∑的控制分配狀態(tài)，當(dāng)ηk和rk已知時(shí)，相應(yīng)的a(ηk,rk),b(ηk,rk)也是已知的。

系統(tǒng)∑有m+1種可能的工作模式，其中狀態(tài)0(即rk＝0)為正常狀態(tài)，狀態(tài)1至狀態(tài)m(即rk∈{1,...,m})為故障狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)∑處于狀態(tài)0時(shí)，輸出服從均值為m0，方差為s0的高斯分布，記為為了判斷系統(tǒng)是否處于故障狀態(tài)，只需判斷輸出yk是否服從均值為m0，方差為s0的高斯分布。為了表征故障檢測(cè)的性能，引入故障檢測(cè)延時(shí)μd和虛警率β兩個(gè)指標(biāo)。令t為故障發(fā)生時(shí)刻，td為故障發(fā)現(xiàn)時(shí)刻，則故障檢測(cè)延時(shí)令事件h0表示當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)∑處于正常狀態(tài)，事件h1表示當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)∑處于故障狀態(tài)，事件d0表示當(dāng)前時(shí)刻未檢測(cè)出故障；事件d1表示當(dāng)前時(shí)刻檢測(cè)出故障，則虛警率即未發(fā)生故障時(shí)，檢測(cè)出故障的概率。在實(shí)際應(yīng)用中，通常要求故障檢測(cè)延時(shí)和虛警率分別不大于某兩個(gè)預(yù)先給定的值。

此外，由于系統(tǒng)絕大多數(shù)情況下是處于正常工作模式的，為了節(jié)省傳感器資源，僅開啟一部分傳感器對(duì)系統(tǒng)∑進(jìn)行監(jiān)視。此時(shí)，故障檢測(cè)器實(shí)際接收到的量測(cè)量為：

其中，為傳感器配置矩陣，為傳感器選擇變量，中表示第s個(gè)傳感器在第k時(shí)刻處于開啟狀態(tài)；表示第s個(gè)傳感器在第k時(shí)刻處于關(guān)閉狀態(tài)。為了降低傳感器能耗，在故障監(jiān)視過程中通常希望在能夠快速檢測(cè)出故障的前提下，令處于開啟狀態(tài)的傳感器數(shù)目盡量少。此時(shí)，傳感器配置方案和故障檢測(cè)器的聯(lián)合優(yōu)化方案可通過求解如下帶約束的優(yōu)化問題得到：

其中，trace(υk)為矩陣υk的跡，表示處于開啟狀態(tài)的傳感器的數(shù)目。β0和μd0分別為預(yù)先給定的虛警率和故障檢測(cè)延時(shí)的上界。記問題(3)的最優(yōu)解，即最優(yōu)的傳感器配置方案和故障檢測(cè)器為其中為求解首先，根據(jù)k時(shí)刻之前的所有量測(cè)信息，按照下式對(duì)k時(shí)刻故障已出現(xiàn)的先驗(yàn)概率進(jìn)行更新：

其中，y1:k-1為第1時(shí)刻到第k-1時(shí)刻所有的量測(cè)信息，p0為某一時(shí)刻系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，pk-1為k-1時(shí)刻故障已出現(xiàn)的概率；然后，結(jié)合k時(shí)刻的量測(cè)信息，按照下式更新k時(shí)刻故障已出現(xiàn)的后驗(yàn)概率pk：

其中，yk表示k時(shí)刻的量測(cè)信息。接下來，根據(jù)虛警率上界β0，計(jì)算故障檢測(cè)閾值thr2＝1-β0；每個(gè)傳感器取并判別是否成立，若成立，則關(guān)閉傳感器，即令若不成立，則保持傳感器處于開啟狀態(tài)，即令最后，故障檢測(cè)器判別pk≤thr2是否成立，若成立，則故障檢測(cè)器判斷故障發(fā)生，即此時(shí)，系統(tǒng)將開啟更多傳感器或以更高頻率采樣，從而完成進(jìn)一步的故障類型辨識(shí)；若不成立，則故障檢測(cè)器判斷故障未發(fā)生，即此時(shí)，系統(tǒng)令k←k+1并重復(fù)以上步驟。

第二步，基于多模型選擇的故障類型辨識(shí)

當(dāng)故障檢測(cè)器判斷有故障發(fā)生后，控制系統(tǒng)將進(jìn)入故障應(yīng)對(duì)模式，即開啟更多傳感器，或以更高頻率采樣，從而獲得更多的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息；故障辨識(shí)器根據(jù)所獲得的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，通過求解多模型選擇問題，辨識(shí)出故障類型。具體地，將第時(shí)刻到第k時(shí)刻(此處假設(shè))所獲得的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息記為故障類型辨識(shí)問題可轉(zhuǎn)化為如下的極大似然估計(jì)問題：

記極大似然估計(jì)問題(4)的最優(yōu)解為i^*，則故障辨識(shí)器將輸出故障類型i^*，即判斷系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行于第i^*種故障狀態(tài)。

第三步，控制分配方案設(shè)計(jì)與閉環(huán)系統(tǒng)鎮(zhèn)定

根據(jù)第二步所辨識(shí)得到的故障類型，構(gòu)造相應(yīng)的控制分配方案，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的重構(gòu)。假設(shè)對(duì)于每一種故障狀態(tài)rk，都存在一種控制分配方案ηk與之對(duì)應(yīng)。此時(shí)，需根據(jù)重構(gòu)之后的系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)控制律uk＝k(yk)鎮(zhèn)定閉環(huán)系統(tǒng)。由于此時(shí)a(ηk,rk),b(ηk,rk)是已知的，閉環(huán)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題即為線性定常系統(tǒng)的輸出反饋鎮(zhèn)定問題，具體的控制器設(shè)計(jì)方法已被廣泛研究，此處不再詳述。

以下以航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)為例再詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)：

1.傳感器配置方案和故障檢測(cè)器聯(lián)合優(yōu)化：

考慮以星敏感器作為姿態(tài)敏感器，以飛輪和磁力矩器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)，為簡(jiǎn)便起見，這里考慮如下的航天器線性化姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：

其中，ji(i＝1,2,3)分別為航天器三軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；n為軌道角速度；φ,θ,ψ為本體與軌道坐標(biāo)系間的三軸歐拉角；u1,u2,u3分別為三軸控制力矩；f1,f2,f3為三軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障。將以上模型寫成緊湊形式，有：

其中，m＝diag{j1,j2,j3}；c＝diag{n(j1-j2+j3),0,-n(j1-j2+j3)}；k＝diag{4n²(j2-j3),3n²(j1-j3),n²(j2-j1)}為系數(shù)矩陣；p(t)＝[φθψ]^t為三軸歐拉角；u(t)＝[u1u2u3]^t為三軸控制輸入；f(t)＝[f1f2f3]^t為三軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障。

進(jìn)一步，(6)式可寫成如下的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空間模型：

其中，為系統(tǒng)狀態(tài)變量；為系統(tǒng)矩陣；為輸入矩陣。

考慮陀螺儀和星敏感器作為姿態(tài)敏感器，此時(shí)姿態(tài)量測(cè)方程為：

y^s＝c^sx+v^s(8)

其中，y^s＝p為傳感器s的量測(cè)輸出；c^s＝[i0]為傳感器s的輸出矩陣；v^s為傳感器s的量測(cè)噪聲，假設(shè)其服從高斯分布。將(7)、(8)式離散化，有：

基于上述模型和實(shí)時(shí)量測(cè)信息，故障檢測(cè)器(見圖2)根據(jù)下式迭代更新故障發(fā)生的概率pk：

接下來，根據(jù)虛警率上界β0，計(jì)算故障檢測(cè)閾值thr2＝1-β0；每個(gè)傳感器取thr1^s∈[0,thr2)，并判別pk≤thr1^s是否成立，若成立，則關(guān)閉傳感器，即令若不成立，則保持傳感器處于開啟狀態(tài)，即令最后，故障檢測(cè)器判別pk≤thr2是否成立，若成立，則故障檢測(cè)器判斷故障發(fā)生，即此時(shí)，系統(tǒng)將開啟更多傳感器或以更高頻率采樣，從而完成進(jìn)一步的故障類型辨識(shí)；若不成立，則故障檢測(cè)器判斷故障未發(fā)生，即此時(shí)，系統(tǒng)令k←k+1并重復(fù)以上步驟。

2.基于多模型選擇的故障類型辨識(shí)：

當(dāng)故障檢測(cè)器判斷故障發(fā)生后，將有更多傳感器開啟，采樣頻率也相應(yīng)提高，從而收集更多的量測(cè)信息。根據(jù)所收集的量測(cè)信息，故障類型辨識(shí)單元(見圖2)采用極大似然估計(jì)方法，對(duì)故障類型進(jìn)行辨識(shí)。具體地，首先將系統(tǒng)可能出現(xiàn)的m種故障類型，如飛輪卡死、傳感器失效、電源故障等，分別表示為rk＝1,2,...,m，在每種故障情形下，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)有不同的狀態(tài)空間模型，例如，當(dāng)提供第一維量測(cè)的傳感器失效時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)空間從(9)變?yōu)椋?/p>

其中，因此，考慮各類故障情形后，可將系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型(9)改寫為：

將第時(shí)刻到第k時(shí)刻(此處假設(shè))所獲得的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息記為故障類型辨識(shí)問題可轉(zhuǎn)化為如下的極大似然估計(jì)問題：

記極大似然估計(jì)問題(12)的最優(yōu)解為i^*，則故障辨識(shí)器將輸出故障類型i^*，即判斷系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行于第i^*種故障狀態(tài)。

3.控制分配方案設(shè)計(jì)與閉環(huán)系統(tǒng)鎮(zhèn)定：

根據(jù)第二步所辨識(shí)得到的故障類型i^*，系統(tǒng)重構(gòu)單元(見圖2)構(gòu)造相應(yīng)的控制分配方案，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的重構(gòu)。假設(shè)對(duì)于每一種故障狀態(tài)rk，都存在一種控制分配方案ηk與之對(duì)應(yīng)。此時(shí)，需根據(jù)重構(gòu)之后的系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)控制律uk＝k(yk)鎮(zhèn)定閉環(huán)系統(tǒng)。由于此時(shí)a(ηk,rk),b(ηk,rk)是已知的，閉環(huán)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題即為線性定常系統(tǒng)的輸出反饋鎮(zhèn)定問題，具體的控制器設(shè)計(jì)方法已被廣泛研究，此處不再詳述。

總之，本發(fā)明結(jié)合了靜態(tài)的故障監(jiān)視與動(dòng)態(tài)的故障類型辨識(shí)與控制系統(tǒng)重構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的故障檢測(cè)與容錯(cuò)控制方案，能有效處理多類潛在故障，實(shí)時(shí)性提高，能耗減低，可應(yīng)用于航天器、機(jī)電、化工等控制對(duì)象的高可靠性控制問題。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。