法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-04-12
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G05B13/04 授权公告日:20170510 终止日期:20180427 申请日:20150427
专利权的终止
2017-05-10
授权
授权
2015-07-29
实质审查的生效 IPC(主分类):G05B13/04 申请日:20150427
实质审查的生效
2015-07-01
公开
公开
技术领域
本发明涉及一种基于估计器的容错控制方法,尤其涉及一种基于广义滑模 估计器的机组变桨容错控制方法。
背景技术
对于风力发电这类实际工程系统,长期运行时通常不可避免地出现执行器 故障或是传感器故障。对于一个发生故障的动态系统,如何维持系统稳定成为 控制系统设计的一个重要课题。
目前,大多数容错控制方法都建立在传统的故障检测与诊断(FDD)基础 上。但是,现存故障检测与诊断(FDD)技术并不能直接反映故障对系统状态 的影响程度。于是在FDD基础上,提出了故障重构的思想:根据已被故障影响 的过程变量的测量值来估计出故障的大小和位置,几乎可以将故障信号完整地 重现出来,不但能够直观地反映出故障的发生、发展过程,还可通过对信号的 分析方便地获得关于故障的类型、性质、严重程度以及可能对系统造成的影响、 危害等一系列信息。
目前,针对风力变桨系统,还没有完整地在模型里考虑其非线性、不确定 性以及多重故障(包括执行器故障和传感器故障)同时存在的情况。针对变桨 系统这样复杂的故障情况,对执行器故障或是传感器故障的重构和还原造成了 极大的难度。目前,对于故障重构方法的研究成果主要体现在基于观测器或估 计器的故障重构技术上。目前主要有三大类:一是基于广义观测器的估计方法; 二是基于滑模观测器的故障重构技术;三是基于鲁棒自适应观测器的方法。这 三类方法在不同的应用场合体现着自身的优缺点。但在现有的研究成果中,还 没有将故障重构的方法有效地应用到机组变桨的故障系统中去,进而同时实现 对执行器故障和传感器故障的重构并有效地获取故障信息,采取更有效的容错 控制措施。
发明内容
针对现有技术中风电变桨系统存在的上述不足,本发明充分考虑了系统的 非线性、不确定性以及同时存在执行器故障和传感器故障的情况,提供了一种 基于广义滑模估计器的机组变桨容错控制方法,不仅能实现执行器故障和传感 器故障的重构,还能实现故障系统的状态稳定。
为了解决上述技术问题,本发明采用了如下技术方案:
一种基于广义滑模估计器的机组变桨容错控制方法,其特征在于,该方法 包括如下步骤:
1)建立同时存在执行器故障和传感器故障下的变桨系统模型;
首先,考虑存在执行器故障下的叶轮动态方程:
再次,考虑存在传感器故障下的桨距角测量方程为:
y(t)=x(t)+fs(t) (2)
其中,M(·)=JLB+JBI>0;
进一步,方程(1)可以写成:
其中,
而测量方程(2)可以写成:
Y(t)=CX(t)+Dsfs(t) (4)
其中
2)引入增广状态向量,将原来故障下变桨系统模型变换成一种新型的广 义系统模型;
定义如下的增广矩阵:
其中,Ip代表维数为p单位矩阵,0k×l代表k行l列的零矩阵,参数δ>0要使 得下面条件(6)成立;
其中rank表示矩阵的秩;
最终,可以得到一个增广的广义系统模型(7);
其中,是式(5)中所定义的维数为5的广义系统向量,是 维数为2的广义系统测量输出向量,是式(5)中所定义的维数为5 的广义非线性向量,是式(5)中所定义的5乘5阶的矩阵,是 式(5)中所定义的5乘5阶的参数矩阵,是式(5)中所定义的5乘1 阶的参数矩阵,是式(5)中所定义的5乘3阶的矩阵,是式(5) 中所定义的2乘5阶的参数矩阵,是式(5)中所定义的维数为3的广义 故障向量;
3)基于广义系统模型(7)设计出以下结构的广义滑模估计器(8),实现 对桨叶位置状态估计和系统故障重构;
其中,是维数为5的中间变量向量,是维数为5的增广的 广义系统状态估计向量,是式(5)中所定义的5乘2阶的矩阵,分别是所设计的5乘2阶的微分增益矩阵,5乘2阶的比例增 益矩阵以及5乘3阶的滑模增益矩阵,是维数为3的连续的输入信号;
3.1)设计微分增益
3.2)设计比例增益
首先,利用如下李雅普诺夫方程(9)求解出矩阵
其中,μ>0满足
进一步,比例增益可通过式子(10)进行计算;
3.3)设计滑模增益
3.4)令
其中,为正定矩阵,且满足以下条件:
其中,是由所确定的3乘2阶的设计矩阵;
于是,最终设计的滑模面变为:
设计的连续输入信号具有如下的滑模形式:
其中,δ>0满足条件(6),γ>0为设计参数,ο>0是一个小常数,取ο=10-3, α0,α1,β0和d0满足以下条件(15);
4)基于状态估计设计容错控制方法,实现故障系统的状态稳定;
4.1)基于状态估计值,定义一个积分型滑模面(16):
其中,和分别是所设计1乘2阶的参数矩阵;矩阵G要使得 GB=1,矩阵K要使得矩阵(A+BK)是霍尔维茨的;
4.2)所设计的控制器结构(17)-(18)如下所示:
且
其中,
us1(t)=[1 0 0]us(t) (19)
us1(t)=[0 0 1]us(t)
5)给出估计误差系统和原状态系统稳定的条件,计算参数矩阵,并把各参 数矩阵配置给所设计的估计器和控制器;
稳定性条件:在滑模控制us(t)和容错控制率u(t)下,如果存在2乘2阶的正 定矩阵2乘2阶的正定矩阵和3乘2阶的矩阵使得下面 LMI优化问题(20)成立:
st.
其中,0<υ<0是固定常数,
则可以确保估计误差系统和原状态系统的稳定;
通过LMI工具箱的“mincx”求解器,可以方便地求解以上线性矩阵不等 式优化问题,计算出所设计的参数矩阵
最后,在风电变桨系统中,将LMI优化问题中求解出的参数矩阵同以 上步骤中所设计的微分增益矩阵比例增益矩阵滑模增益矩阵控制 器参数矩阵G和K相应配置给所设计的估计器和控制器,实现对桨叶位置的估 计和对执行器故障和传感器故障的重构,实现变桨系统稳定。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
1、首次将广义滑模估计器的故障重构方法应用到机组变桨的故障模型 中,有效地实现故障的重构和系统的稳定。
2、通过LMI工具箱来求解LMI优化问题,可以容易地得到所设计的估计 器增益矩阵,参数设计简单,且易于实现。
附图说明
图1为一种基于广义滑模估计器的机组变桨容错控制方法的流程图;
图2为实际桨距角与估计桨距角的曲线图;
图3为实际的执行器故障曲线和估计的执行器故障曲线对比图;
图4为实际的传感器故障曲线和估计的传感器故障曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
一种基于广义滑模估计器的机组变桨容错控制方法,其流程如图1所示, 该方法包括如下步骤:
1)建立同时存在执行器故障和传感器故障下的变桨系统模型;
首先,考虑存在执行器故障下的叶轮动态方程:
再次,考虑存在传感器故障下的桨距角测量方程为:
y(t)=x(t)+fs(t) (2)
其中,M(·)=JLB+JBI>0;
进一步,方程(1)可以写成:
其中,
而测量方程(2)可以写成:
Y(t)=CX(t)+Dsfs(t) (4)
其中
2)引入增广状态向量将原来故障下变桨系统模型变换成一种新型的广 义系统模型;
定义如下的增广矩阵:
其中,Ip代表维数为p单位矩阵,0k×l代表k行l列的零矩阵,参数δ>0要使 得下面条件(6)成立;
其中rank表示矩阵的秩;
最终,可以得到一个增广的广义系统模型(7);
其中,是式(5)中所定义的维数为5的广义系统向量,是 维数为2的广义系统测量输出向量,是式(5)中所定义的维数为5 的广义非线性向量,是式(5)中所定义的5乘5阶的矩阵,是 式(5)中所定义的5乘5阶的参数矩阵,是式(5)中所定义的5乘1 阶的参数矩阵,是式(5)中所定义的5乘3阶的矩阵,是式(5) 中所定义的2乘5阶的参数矩阵,是式(5)中所定义的维数为3的广义 故障向量。
3)基于广义系统模型(7)设计出以下结构的广义滑模估计器(8),实现 对桨叶位置状态估计和系统故障重构;
其中,是维数为5的中间变量向量,是维数为5的增广的 广义系统状态估计向量,是式(5)中所定义的5乘2阶的矩阵,分别是所设计的5乘2阶的微分增益矩阵,5乘2阶的比例增 益矩阵以及5乘3阶的滑模增益矩阵,是维数为3的连续的输入信号。
3.1)设计微分增益
3.2)设计比例增益
首先,利用如下李雅普诺夫方程(9)求解出矩阵
其中,μ>0满足
进一步,比例增益可通过式子(10)进行计算;
3.3)设计滑模增益
3.4)令
其中,为正定矩阵,且满足以下条件:
其中,是由所确定的3乘2阶的设计矩阵;
于是,最终设计的滑模面变为:
设计的连续输入信号具有如下的滑模形式:
其中,δ>0满足条件(6),γ>0为设计参数,ο>0是一个小常数,取ο=10-3, α0,α1,β0和d0满足以下条件(15);
4)基于状态估计设计容错控制方法,实现故障系统的状态稳定;
4.1)基于状态估计值,定义一个积分型滑模面(16):
其中,和分别是所设计1乘2阶的参数矩阵;矩阵G要使得 GB=1,矩阵K要使得矩阵(A+BK)是霍尔维茨的;
4.2)所设计的控制器结构(17)-(18)如下所示:
且
其中,
us1(t)=[1 0 0]us(t) (19)
us1(t)=[0 0 1]us(t)
5)给出估计误差系统和原状态系统稳定的条件,计算参数矩阵,并把各参 数矩阵配置给所设计的估计器和控制器;
稳定性条件:在滑模控制us(t)和容错控制率u(t)下,如果存在2乘2阶的正 定矩阵2乘2阶的正定矩阵和3乘2阶的矩阵使得下面 LMI优化问题(20)成立:
st.
其中,0<υ<0是固定常数,则可以确保估计误差系统和原状态系统的稳定。
通过LMI工具箱的“mincx”求解器,可以方便地求解以上线性矩阵不等 式优化问题,计算出所设计的参数矩阵
最后,在风电变桨系统中,将LMI优化问题中求解出的参数矩阵同以 上步骤中所设计的微分增益矩阵比例增益矩阵滑模增益矩阵控制 器参数矩阵G和K相应配置给所设计的估计器和控制器,实现对桨叶位置的估 计和对执行器故障和传感器故障的重构,实现变桨系统稳定。
在机组变桨中采用上述设计的广义滑模估计器结构(8)和容错控制率(17) -(18),按照上述的矩阵参数设计步骤,可以实现对桨距角及桨距角速度的估 计,执行器和传感器故障的重构以及桨叶位置的稳定。图2表明通过本发明的 广义滑模估计器和容错控制方法,桨距角位置不仅能得到估计,而且能实现状 态稳定;图3表明执行器故障的估计情况;图4表明传感器故障的估计情况, 均表明了本发明的广义滑模估计器具有较好的故障估计效果。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管 参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解, 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的 宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
机译: CABAC一种基于位估计器的视频编码过程支持离线CABAC的速率控制方法
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