基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法及装置与流程

1.本发明涉及滑模控制技术领域，特别是指一种基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法及装置。


背景技术：

2.滑模控制作为一种有效的鲁棒控制策略在工程应用中得到了广泛的关注，其主要是通过一种特殊的控制方法，将状态轨迹从初始状态驱动到某个预先设定的滑模面上并保持稳定。与传统的控制方法相比，滑模控制技术具有强鲁棒性、系统降阶和快速响应等优点，从而受到了人们的关注和研究。
3.在网络环境下，有限的带宽不足以保证数据的完全传输。需要提出一种事件触发方案来确定采样信号是否能够被传输，从而降低数据传输频率和减少网络化诱导现象发生。在实际的系统中，传感器很容易发生故障，如果处理不当则会造成系统的不稳定，甚至导致灾难性的事故。容错控制的出现既能保证闭环系统的稳定性，又能使故障系统的功能保持在可接受的范围内，从而提高系统的安全性和可靠性。将滑模控制与容错控制相结合设计控制器，能够有效的使状态轨迹到达滑模面并保持稳定状态。滑模控制方法由于具有较强的鲁棒性和抗干扰性，利用滑模容错控制方法处理带有事件触发和传感器故障的网络化系统具有十分重要的现实意义。
4.现有的滑模容错控制问题的研究主要是围绕执行器故障展开的，但是在实际的工程系统中，传感器发生故障也是不可避免的。此外，在网络环境下，数据传输往往受到网络带宽的影响，相比于时间触发来说，采用动态事件触发机制来降低数据的传输量，能够更好的缓解网络带宽的压力，降低计算量。对此，目前针对网络化控制系统还未有同时考虑动态事件触发和传感器故障的滑模容错控制方案。


技术实现要素：

5.本发明针对网络化控制系统还未有在动态事件触发机制下考虑传感器故障的滑模容错控制方案的问题，提出了本发明。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
7.一方面，本发明提供了一种基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法，该方法由电子设备实现，该方法包括：
8.s1、建立离散网络化控制系统的动态模型。
9.s2、基于系统发生传感器故障的情况，设计离散网络化控制系统的状态滑模观测器。
10.s3、设计基于观测器估计信息的滑模面。
11.s4、设计动态事件触发机制。
12.s5、设计基于观测器方法的滑模容错控制器。
13.可选地，该方法还包括：将等效控制律代入到所述观测器中得到闭环系统，基于李
雅普诺夫函数理论和线性矩阵不等式方法，得到满足闭环系统渐近稳定以及h
∞
性能指标的充分判据。
14.可选地，s1中离散网络化控制系统的动态模型的状态空间形式如下式(1)所示：
[0015][0016]
其中,为系统的n维状态向量；表示实数集；为系统的m维控制输入；为系统的p维测量输出；为系统的q维被控输出；a1为系统矩阵；b为系统的输入矩阵；c为系统的测量矩阵；d1和d2为系统的外部扰动矩阵，a2为系统的输出矩阵；a1,a2,b,c,d1和d2为具有适当维数的已知矩阵；和分别为w维和v维属于l2[0，∞)的外部扰动,其中l2[0，∞)为hilbert空间的平方可积函数；δa代表参数不确定性，满足δa＝mfn，其中f是一个未知矩阵，满足f
t
f≤i，m和n为具有适当维数的已知矩阵；g(xk)是非线性扰动，满足‖g(xk)‖≤r‖xk‖，其中，‖g(xk)‖为g(xk)的范数，‖xk‖为xk的范数，r＞0代表一个已知常数。
[0017]
可选地，s2中的传感器故障模型如下式(2)所示：
[0018][0019]
其中，
[0020][0021][0022][0023]
其中，fs＝diag{f1,f2,
…
,fq}，diag为对角矩阵；i＝1,2,
…
,q，fi为fi的下界，为fi的上界，满足
[0024]
当fi＝1,i＝1,2,
…
,q时，传感器处于正常工作。
[0025]
当fi＝0,i＝1,2,
…
,q时，传感器完全不能工作。
[0026]
当fi∈(0,1),i＝1,2,
…
,q时，传感器发生故障。
[0027]
将带有传感器故障的测量输出表示为yf＝fsyk。
[0028]
可选地，s2中的滑模观测器由下式(3)表示：
[0029][0030]
其中，表示观测器状态，表示被控输出zk的估计值，l表示观测器增益矩阵。
[0031]
可选地，s3中的滑模面函数由下式(4)表示：
[0032][0033]
其中，sk表示k时刻的滑模函数，是待设计的滑模面参数矩阵，g＝b
t
p1，p1＞0是待求解的正定矩阵。
[0034]
可选地，s4中的动态事件触发机制模型如下式(5)所示：
[0035][0036]
其中，表示正整数集合；{l0,l1,
…
}为从观测器到控制器当前状态所处的时间序列；定义l0＝0；σ、θ为给定的正标量；其中为k时刻的状态估计，为最新释放的状态；ηk表示内部动态变量，满足其中，t为矩阵的转置，λ∈(0,1)为给定的常数，η0≥0为给定的初始条件。
[0037]
可选地，s5中的设计基于观测器方法的滑模容错控制器包括：
[0038]
根据s
k 1
＝sk＝0，等效控制律由下式(6)表示：
[0039][0040]
其中，-1
为逆矩阵。
[0041]
基于动态事件触发机制，将等效控制律重新写成下式(7)：
[0042][0043]
当滑模面函数的差分满足下式(8)(9)时，
[0044]
δsk≤-ωe-μk
sgn(sk)-κsk如果sk＞0
ꢀꢀꢀ
(8)
[0045]
δsk≥-ωe-μk
sgn(sk)-κsk如果sk＜0
ꢀꢀꢀ
(9)
[0046]
其中，0＜κ＜1，ω＞0，μ≥0。
[0047]
设计滑模容错控制器，如下式(10)所示：
[0048][0049]
其中，
[0050]
另一方面，本发明提供了一种基于动态事件触发机制的滑模容错控制装置，该装置应用于实现基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法，该装置包括：
[0051]
动态模型建立模块，用于建立离散网络化控制系统的动态模型。
[0052]
观测器设计模块，用于基于系统发生传感器故障的情况，设计离散网络化控制系统的状态滑模观测器。
[0053]
滑模面设计模块，用于设计基于观测器估计信息的滑模面。
[0054]
动态事件触发机制设计模块，用于设计动态事件触发机制。
[0055]
滑模容错控制器设计模块，用于设计基于观测器方法的滑模容错控制器。
[0056]
可选地，该方法还包括：将等效控制律代入到所述观测器中得到闭环系统，基于李雅普诺夫函数理论和线性矩阵不等式方法，得到满足闭环系统渐近稳定以及h
∞
性能指标的充分判据。
[0057]
可选地，离散网络化控制系统的动态模型的状态空间形式如下式(1)所示：
＞0是待求解的正定矩阵。
[0077]
可选地，动态事件触发机制模型如下式(5)所示：
[0078][0079]
其中，表示正整数集合；{l0,l1,
…
}为从观测器到控制器当前状态所处的时间序列；定义l0＝0；σ、θ为给定的正标量；其中为k时刻的状态估计，为最新释放的状态；ηk表示内部动态变量，满足其中，
t
为矩阵的转置，λ∈(0,1)为给定的常数，η0≥0为给定的初始条件。
[0080]
可选地，滑模容错控制器设计模块，进一步用于：
[0081]
根据s
k 1
＝sk＝0，等效控制律由下式(6)表示：
[0082][0083]
其中，-1
为逆矩阵。
[0084]
基于动态事件触发机制，将等效控制律重新写成下式(7)：
[0085][0086]
当滑模面函数的差分满足下式(8)(9)时，
[0087]
δsk≤-ωe-μk
sgn(sk)-κsk如果sk＞0
ꢀꢀꢀ
(8)
[0088]
δsk≥-ωe-μk
sgn(sk)-κsk如果sk＜0
ꢀꢀꢀ
(9)
[0089]
其中，0＜κ＜1，ω＞0，μ≥0。
[0090]
设计滑模容错控制器，如下式(10)所示：
[0091][0092]
其中，
[0093]
一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行以实现上述基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法。
[0094]
一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现上述基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法。
[0095]
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0096]
上述方案中，对于事件触发机制产生的误差进行处理，在发生传感器故障的前提下，研究基于观测器方法的具有动态事件触发机制的网络化控制系统滑模容错控制问题。首次在滑模容错控制问题中，将事件触发机制产生的误差当作一种扰动，利用h
∞
范数有界进行衰减。通过李雅普诺夫函数的方法，给出保证闭环系统渐近稳定和满足h
∞
性能指标的充分判据。进一步地，设计合适的滑模容错控制器使闭环系统的状态轨迹能够到达预先设定的滑模面上，并在有限时间内保持稳定。
附图说明
[0097]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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他的附图。
[0098]
图1是本发明基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法流程示意图；
[0099]
图2是本发明基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法流程示意图；
[0100]
图3是本发明基于动态事件触发机制的滑模容错控制系统示意图；
[0101]
图4是本发明基于动态事件触发机制的滑模容错控制装置框图；
[0102]
图5是本发明一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0103]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0104]
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法，该方法由电子设备实现。如图1所示的基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法流程图，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：
[0105]
s11、建立离散网络化控制系统的动态模型。
[0106]
s12、基于系统发生传感器故障的情况，设计离散网络化控制系统的状态滑模观测器。
[0107]
s13、设计基于观测器估计信息的滑模面。
[0108]
s14、设计动态事件触发机制。
[0109]
s15、设计基于观测器方法的滑模容错控制器。
[0110]
可选地，该方法还包括：将等效控制律代入到所述观测器中得到闭环系统，基于李雅普诺夫函数理论和线性矩阵不等式方法，得到闭环系统渐近稳定以及h
∞
性能指标的充分判据。
[0111]
可选地，s11中离散网络化控制系统的动态模型的状态空间形式如下式(1)所示：
[0112][0113]
其中,为系统的n维状态向量；表示实数集；为系统的m维控制输入；为系统的p维测量输出；为系统的q维被控输出；a1为系统矩阵；b为系统的输入矩阵；c为系统的测量矩阵；d1和d2为系统的外部扰动矩阵，a2为系统的输出矩阵；a1,a2,b,c,d1和d2为具有适当维数的已知矩阵；和分别为w维和v维属于l2[0，∞)的外部扰动,其中l2[0，∞)为hilbert空间的平方可积函数；δa代表参数不确定性，满足δa＝mfn，其中f是一个未知矩阵，满足f
t
f≤i，m和n为具有适当维数的已知矩阵；g(xk)是非线性扰动，满足‖g(xk)‖≤r‖xk‖，其中，‖g(xk)‖为g(xk)的范数，‖xk‖为xk的范数，r＞0代表一个已知常数。
[0114]
可选地，s12中的传感器故障模型如下式(2)所示：
[0115][0116]
其中，
[0117][0118][0119][0120]
其中，fs＝diag{f1,f2,
…
,fq}，diag为对角矩阵；i＝1,2,
…
,q，fi为fi的下界，为fi的上界，满足
[0121]
当fi＝1,i＝1,2,
…
,q时，传感器处于正常工作。
[0122]
当fi＝0,i＝1,2,
…
,q时，传感器完全不能工作。
[0123]
当fi∈(0,1),i＝1,2,
…
,q时，传感器发生故障。
[0124]
将带有传感器故障的测量输出表示为yf＝fsyk。
[0125]
可选地，s12中的滑模观测器由下式(3)表示：
[0126][0127]
其中，表示观测器状态，表示被控输出zk的估计值，l表示观测器增益矩阵。
[0128]
可选地，s13中的滑模面函数由下式(4)表示：
[0129][0130]
其中，sk表示k时刻的滑模函数，是待设计的滑模面参数矩阵，g＝b
t
p1，p1＞0是待求解的正定矩阵。
[0131]
可选地，s14中的动态事件触发机制模型如下式(5)所示：
[0132][0133]
其中，表示正整数集合；{l0,l1,
…
}为从观测器到控制器当前状态所处的时间序列；定义l0＝0；σ、θ为给定的正标量；其中为k时刻的状态估计，为最新释放的状态；ηk表示内部动态变量，满足其中，t为矩阵的转置，λ∈(0,1)为给定的常数，η0≥0为给定的初始条件。
[0134]
可选地，s15中的设计基于观测器方法的滑模容错控制器包括：
[0135]
根据s
k 1
＝sk＝0，等效控制律由下式(6)表示：
[0136]
[0137]
其中，-1
为逆矩阵。
[0138]
基于动态事件触发机制，将等效控制律重新写成下式(7)：
[0139][0140]
当滑模面函数的差分满足下式(8)(9)时，
[0141]
δsk≤-ωe-μk
sgn(sk)-κsk如果sk＞0
ꢀꢀꢀ
(8)
[0142]
δsk≥-ωe-μk
sgn(sk)-κsk如果sk＜0
ꢀꢀꢀ
(9)
[0143]
其中，0＜κ＜1，ω＞0，μ≥0。
[0144]
设计滑模容错控制器，如下式(10)所示：
[0145][0146]
其中，
[0147]
本发明实施例中，对于事件触发机制产生的误差进行处理，在发生传感器故障的前提下，研究基于观测器方法的具有动态事件触发机制的网络化控制系统滑模容错控制问题。首次在滑模容错控制问题中，将事件触发机制产生的误差当作一种扰动，利用h
∞
范数有界进行衰减。通过李雅普诺夫函数的方法，给出保证闭环系统渐近稳定和满足h
∞
性能指标的充分判据。进一步地，设计合适的滑模容错控制器使闭环系统的状态轨迹能够到达预先设定的滑模面上，并在有限时间内保持稳定。
[0148]
如图2所示，本发明实施例提供了一种基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法，该方法由电子设备实现。如图2所示的基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法流程图，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：
[0149]
s21、建立离散网络化控制系统的动态模型，其状态空间形式如下式(1)所示：
[0150][0151]
其中,为系统的n维状态向量；表示实数集；为系统的m维控制输入；为系统的p维测量输出；为系统的q维被控输出；a1为系统矩阵；b为系统的输入矩阵；c为系统的测量矩阵；d1和d2为系统的外部扰动矩阵，a2为系统的输出矩阵；a1,a2,b,c,d1和d2为具有适当维数的已知矩阵；和分别为w维和v维属于l2[0,∞)的外部扰动,其中l2[0,∞)为hilbert空间的平方可积函数；δa代表参数不确定性，满足δa＝mfn，其中f是一个未知矩阵，满足f
t
f≤i，m和n为具有适当维数的已知矩阵；g(xk)是非线性扰动，满足‖g(xk)‖≤r‖xk‖，其中，‖g(xk)‖为g(xk)的范数，‖xk‖为xk的范数，r＞0代表一个已知常数。
[0152]
其中，离散网络化控制系统的动态模型可以是具有不确定性和外部扰动的网络化控制系统的动态模型；
[0153]
s22、建立传感器故障模型，如下式(2)所示：
[0154][0155]
其中，
[0156][0157][0158][0159]
其中，fs＝diag{f1,f2,
…
,fq}，diag为对角矩阵；i＝1,2,
…
,q，fi为fi的下界，为fi的上界，满足
[0160]
其中，传感器故障与矩阵fs之间的关系可以是：
[0161]
当fi＝1,i＝1,2,
…
,q时，传感器处于正常工作。
[0162]
当fi＝0,i＝1,2,
…
,q时，传感器完全不能工作。
[0163]
当fi∈(0,1),i＝1,2,
…
,q时，传感器发生故障。
[0164]
因此，可以将带有传感器故障的测量输出表示为yf＝fsyk。
[0165]
s23、建立动态事件触发机制模型，如下式(3)所示：
[0166][0167]
其中，为了节省计算机资源，定义表示正整数集合；定义{l0,l1,
…
}为从观测器到控制器当前状态所处的时间序列；定义l0＝0；σ、θ为给定的正数；
[0168]
其中为k时刻的状态估计，为最新释放的状态；ηk表示内部动态变量，满足其中，t为矩阵的转置，λ∈(0,1)为给定的常数，η0≥0为给定的初始条件。
[0169]
s24、设计滑模观测器，由下式(4)表示：
[0170][0171]
其中，表示观测器状态，表示被控输出zk的估计值，l表示观测器增益矩阵。
[0172]
一种可行的实施方式中，利用已发生传感器故障的测量信息设计滑模观测器；可以是基于公式(2)的传感器故障模型得到传感器故障的测量信息，根据测量信息得到公式(4)的滑模观测器。
[0173]
s25、设计滑模面函数，由下式(5)表示：
[0174][0175]
其中，sk表示k时刻的滑模函数，是待设计的滑模面参数矩阵，g＝b
t
p1，p1＞0是待求解的正定矩阵。
[0176]
一种可行的实施方式中，可以利用滑模观测器得到的观测信息设计滑模面函数；可以是基于公式(4)的滑模观测器得到观测信息，根据观测信息得到公式(5)的滑模面函
数。
[0177]
s26、设计基于观测器方法的滑模容错控制器。
[0178]
根据s
k 1
＝sk＝0，等效控制律由下式(6)表示：
[0179][0180]
其中，-1为逆矩阵。
[0181]
基于动态事件触发机制，将等效控制律重新写成下式(7)：
[0182][0183]
当滑模面函数的差分满足下式(8)(9)时，
[0184]
δsk≤-ωe-μk
sgn(sk)-κsk如果sk＞0
ꢀꢀꢀ
(8)
[0185]
δsk≥-ωe-μk
sgn(sk)-κsk如果sk＜0
ꢀꢀꢀ
(9)
[0186]
其中，0＜κ＜1，ω＞0，μ≥0。
[0187]
设计滑模容错控制器，如下式(10)所示：
[0188][0189]
其中，
[0190]
一种可行的实施方式中，如图3所示的基于动态事件触发机制的滑模容错控制系统，在动态事件触发机制下考虑传感器故障，设计基于观测器方法的滑模容错控制器，保证离散情形下滑模面的可达性，并且保证在故障发生时系统仍能正常运行。该闭环系统的轨迹可以在有限时间内收敛到滑模面上并保持稳定。
[0191]
本发明实施例中，对于事件触发机制产生的误差进行处理，在发生传感器故障的前提下，研究基于观测器方法的具有动态事件触发机制的网络化控制系统滑模容错控制问题。首次在滑模容错控制问题中，将事件触发机制产生的误差当作一种扰动，利用h
∞
范数有界进行衰减。通过李雅普诺夫函数的方法，给出保证闭环系统渐近稳定和满足h
∞
性能指标的充分判据。进一步地，设计合适的滑模容错控制器使闭环系统的状态轨迹能够到达预先设定的滑模面上，并在有限时间内保持稳定。
[0192]
如图4所示，本发明实施例提供了一种基于动态事件触发机制的滑模容错控制装置400，该装置400应用于实现基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法，该装置400包括：
[0193]
动态模型建立模块410，用于建立离散网络化控制系统的动态模型。
[0194]
观测器设计模块420，用于基于系统发生传感器故障的情况，设计离散网络化控制系统的状态滑模观测器。
[0195]
滑模面设计模块430，用于设计基于观测器估计信息的滑模面。
[0196]
动态事件触发机制设计模块440，用于设计动态事件触发机制。
[0197]
滑模容错控制器设计模块450，用于设计基于观测器方法的滑模容错控制器。
[0198]
可选地，该方法还包括：将等效控制律代入到所述观测器中得到闭环系统，基于李雅普诺夫函数理论和线性矩阵不等式方法，得到满足闭环系统渐近稳定以及h
∞
性能指标的充分判据。
[0199]
可选地，离散网络化控制系统的动态模型的状态空间形式如下式(1)所示：
＞0是待求解的正定矩阵。
[0219]
可选地，事件触发机制模型如下式(5)所示：
[0220][0221]
其中，表示正整数集合；{l0,l1,
…
}为从观测器到控制器当前状态所处的时间序列；定义l0＝0；σ、θ为给定的正标量；其中为k时刻的状态估计，为最新释放的状态；ηk表示内部动态变量，满足其中，t为矩阵的转置，λ∈(0,1)为给定的常数，η0≥0为给定的初始条件。
[0222]
可选地，滑模容错控制器设计模块450，进一步用于：
[0223]
根据s
k 1
＝sk＝0，等效控制律由下式(6)表示：
[0224][0225]
其中，-1
为逆矩阵。
[0226]
基于动态事件触发机制，将等效控制律重新写成下式(7)：
[0227][0228]
当滑模面函数的差分满足下式(8)(9)时，
[0229]
δsk≤-ωe-μk
sgn(sk)-κsk如果sk＞0
ꢀꢀꢀ
(8)
[0230]
δsk≥-ωe-μk
sgn(sk)-κsk如果sk＜0
ꢀꢀꢀ
(9)
[0231]
其中，0＜κ＜1，ω＞0，μ≥0。
[0232]
设计滑模容错控制器，如下式(10)所示：
[0233][0234]
其中，
[0235]
本发明实施例中，对于事件触发机制产生的误差进行处理，在发生传感器故障的前提下，研究基于观测器方法的具有动态事件触发机制的网络化控制系统滑模容错控制问题。首次在滑模容错控制问题中，将事件触发机制产生的误差当作一种扰动，利用h
∞
范数有界进行衰减。通过李雅普诺夫函数的方法，给出保证闭环系统渐近稳定和满足h
∞
性能指标的充分判据。进一步地，设计合适的滑模容错控制器使闭环系统的状态轨迹能够到达预先设定的滑模面上，并在有限时间内保持稳定。
[0236]
图5是本发明实施例提供的一种电子设备500的结构示意图，该电子设备500可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，cpu)501和一个或一个以上的存储器502，其中，存储器502中存储有至少一条指令，至少一条指令由处理器501加载并执行以实现下述基于动态事件机制的滑模容错控制方法：
[0237]
s1、建立离散网络化控制系统的动态模型。
[0238]
s2、基于系统发生传感器故障的情况，设计离散网络化控制系统的状态滑模观测器。
[0239]
s3、设计基于观测器估计信息的滑模面。
[0240]
s4、设计动态事件触发机制。
[0241]
s5、设计基于观测器方法的滑模容错控制器。
[0242]
在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，例如包括指令的存储器，上述指令可由终端中的处理器执行以完成上述基于动态事件触发机制的滑模容错控制方法。例如，计算机可读存储介质可以是rom、随机存取存储器(ram)、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。
[0243]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0244]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。