倒立摆系统基于事件驱动的容错控制设计文献综述

文献综述

1、研究背景及意义

随着控制性能要求的不断提高，作为检验控制方法有效性的倒立摆系统也不断发展，倒立摆系统由于具有高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合等特性^[1]，再加上其物理结构和参数容易调整，倒立摆系统在军事和民事生活中广泛应用。并且倒立摆系统由当初的一级发展到现在的多级，随之出现的是控制手段的多样性^[5~7]；倒立摆系统种类繁多，有平面倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆，其轨道可以是水平的，亦可以是倾斜的，而其控制电机的数量也不是固定的^[8~10]。

与此同时，随着使用时间的增长，控制系统的故障也是一个不可避免问题，而控制系统主要是由控制器、传感器和执行器组成，与此相对应，根据故障^[15]发生的位置不同，可分为元部件故障、传感器故障和执行器故障。具体对倒立摆而言，如电机的故障，传送机构故障，传感器故障等，然而，并非所有的故障都是致命性，以及有时候对于突发性故障无法立马解决，而又需要系统保持运行，此时就需要对此系统进行容错控制设计。

容错控制^[4]是指在传感器、执行器或元部件发生故障时，在理想情况下闭环系统仍能保持稳定与无故障时情形一致，而一般情况下，闭环系统只能满足一定的性能指标。根据需求，一般将容错控制分为两种：一是被动容错控制，即在不改变系统参数的情况下，借助鲁棒性控制技术使闭环系统对一些已知的故障具有不敏感性，最终系统仍能稳定运行，达到性能要求；二是主动容错控制，相对于被动容错系统可以忽略预料到的故障，主动容错系统可以在系统故障发生之后，通过修改控制器的参数或者改变控制器的机构来解决设计阶段无法考虑到的问题^[17~21]。

另外，对于故障的产生自然要有检测的方法，无论是预测到的还是突发的故障，具体到故障发生的原因、故障的位置、故障发生的时间等，这便是控制领域的另一个要点——故障检测与诊断^[15~16]。自从上世纪80年代以来，故障检测技术发展迅速，检测方法众多，如参数估计、观测器方法、奇偶方程和系统辨识方法等。然而，这类方法都需要较高要求的系统模型，并且需要实时检测整个闭环系统的所有数据才能较快的发现故障，可见，此类故障诊断方法对于资源占用率较高，不符合现阶段可持续发展的要求。

在资源受限的系统中，事件驱动方法存在不可替代的优势，事件驱动指的是生成不定时的执行指令的一种有效方式，仅当特定的事件发生时（例如，一定的信号超过预定阈值），则会生成一个执行指令。基于事件驱动不但平衡了系统稳定性和资源利用率之间的矛盾，而且事件驱动控制还可以通过自身所具有的减少控制作用变化次数的特性来抑制执行器的频繁动作以延长整个系统的使用寿命。

最后，本课题倒立摆系统基于事件驱动的容错控制设计即是以倒立摆为载体，建立容错控制的仿真模型，通过事件触发机制，维持闭环系统的稳定运行，达到所需要的性能要求。本课题设计不但实现了倒立摆系统的最优控制，并且很大程度上节省了资源，符合当前社会节能减排的要求。

本课题任务分阶段完成，截止到开题答辩为止，主要完成对《基于Steven Ding_Model的故障诊断技术（第二版）》英文参考文献其中3.7.2 “倒立摆控制系统”章节的翻译，并理解和掌握一级倒立摆的仿真数学模型的建立方法，首先建立非线性模型，加入扰动，然后将其线性化，最终建立（线性）状态空间模型，此部分已经初步翻译完成，后续不确定解和最终的系统动态方程工作还未完成；在此期间还需完成查询三级倒立摆系统控制与故障诊断相关文献，在学习一级倒立摆数学模型的基础上，结合查询到的相关文件进行初步总结。

2、国内外研究现状及发展趋势