過驅動系統

過驅動系統是一類控制輸入數多於輸出數的系統，冗餘控制為控制器的設計提供更大自由度的同時也提出挑戰。控制分配是處理冗餘控制的一種常用方法，同時對驅動器故障具有一定的容錯能力。具有冗餘執行機構的過驅動系統廣泛存在於航空航天、航海、汽車、機器人以及工業過程等套用領域。控制分配是過驅動控制系統設計和分析的關鍵問題，也是當前控制領域的研究熱點之一。

基本介紹

• 中文名：過驅動系統
• 外文名：over-actuated systems
• 學科：控制科學與工程
• 特點：控制輸入數多於輸出數
• 關鍵問題：控制分配
• 套用：航空航天、航海、汽車、機器人等

名詞解釋

隨著現代科學技術的迅速發展，系統日趨複雜，規模日益增大，其自動化程度越來越高，實際套用中對控制系統的安全性，可靠性和有效性都提出了越來越高的要求，利用單一驅動實現單一控制目標的傳統方式已難以滿足複雜控制系統的高可靠性要求，因此，具有冗餘執行機構的過驅動控制系統得到了廣闊的套用，並受到理論界和工程套用界的高度重視。

過驅動系統是一類控制輸入數多於輸出數的系統，這些冗餘控制為控制器的設計提供更大的自由度，比如可以考慮引入更多的設計目標，容許驅動器故障等。但同時對控制系統的設計提出了挑戰，即在冗餘及驅動器故障情況下如何將偽控制指令分配給各個控制。

過驅動控制系統的基本思想是採用多組執行機構實現近似的控制效應，並通過控制分配將控制指令合理、有效的分配到各個執行器上。近年來，由於計算機技術和高效最佳化算法的發展，使得過驅動系統的控制分配理論得到了深入的研究，並在航空航天、航海、汽車、機器人等實際工程領域中得到了廣泛的套用。如飛行器為提高飛行性能在傳統的副翼、升降舵和方向舵的基礎上增加了襟翼、縫翼、擾流片等操縱面。

典型套用

1. 具有多操縱面的飛行器

具有多操縱面的飛行器是過驅動系統控制分配理論研究和套用成果最豐富的研究領域之一。最初的飛行器，為了進行姿態控制，分別採用升降舵控制俯仰，方向舵控制航向，副翼控制滾轉，且以此為基礎設計三個通道互相解耦的自動駕駛儀來實現飛行器的姿態穩定控制。

隨著對飛行器飛行品質與多樣化的要求，人們提出了比簡單的姿態穩定巡航飛行更複雜的飛行動作並希望能自動化實現，單純的三組操縱面已難以滿足要求。因此，設計人員提出了各種氣動布局形式，主要包括：常規布局、鴨式布局、三角翼面布局、飛翼布局和無尾布局等。在先進的飛行器布局方式中，操縱面的余度配置形成了廣義多操縱面布局的氣動冗餘。

2. 過驅動水下航行器

對於推力器冗餘的水下航行器，國內的哈爾濱工程大學與瀋陽自動化研究所對水下潛器的容錯控制分配技術開展了研究。傳統的控制分配策略都是根據水下潛器的推力器布置情況，預先確定一種分配方案，在潛器運行過程中始終採用這種分配邏輯進行控制分配。哈爾濱工程大學的劉建成博士在預先設定的一種分配方案上，提出當出現推力器故障時可通過實時改變控制分配矩陣來實現水下機器人的容錯控制。瀋陽自動化研究所的俞建成等根據推力器的故障信息動態調整分配策略，通過修正推力器的最大推力約束條件、降低故障推力器的使用優先等級來達到容錯的目的。T．K．Podder等人在ODIN水下機器人上對所提出的容錯控制分配策略進行了水池試驗驗證。K．C．Yang，J．Yuh等同樣在ODIN水下機器人上對所提出的推力器故障檢測、故障隔離以及可重構策略進行了實驗驗證。ODIN水下機器人的外形近似球型，在水平面上配備了4個推力器，在垂直面上配備了4個推力器。

3. 過驅動水面航行器

對於只需要控制水平面三個自由度(縱盪、橫盪、艏搖)運動的水面船舶、半潛式海洋平台等水面航行器，通常配備冗餘的固定軸推力器、可迴轉推力器以及舵等多種推進設備來提高船舶的操縱性，所以控制輸入往往是多重冗餘。近年來，隨著電力推進技術的發展，高性能推進設備如全迴轉推力器、吊艙推力器等被逐漸套用到新建成的船舶與海洋結構物上，由於全迴轉推力器可以在水平面內同時產生縱向與橫向的推力，所以可以取代船舶尾舵的作用來實現轉艏。近年由中海油公司與中國船舶工業集團共同打造的“海洋石油981”深水半潛式鑽井平台與“海洋石油201”深水鋪管起重船的推力器系統全部採用了全迴轉推力器。

穩定性設計方法

對於過驅動系統的控制，一種直接的設計方法可以採用最優控制，如果進一步考慮系統的魯棒性，可以採用Η∞控制。這種方法由於考慮了性能指標，因而可以使控制解唯一。其主要優點是穩定性容易得到保證，但是不易處理驅動器故障情況。另一種常用的方法是引入控制分配，將過驅動系統化為方形系統，然後在此基礎上設計控制器。這兩種方法在某種程度上具有等價性。顯然，後者由於引入了控制分配器，當驅動器發生故障時，能夠對偽控制指令重新分配，具有容錯能力。基於控制分配的過驅動系統的穩定性設計方法包括：

1.零動態方法

這種方法將過驅動系統的穩定控制問題轉化為零動態的穩定性問題，而零動態的穩定性只取決於控制分配方法，從而簡化了系統設計。如果給定某種特定結構的控制分配函式，那么通過分析零動態的穩定性，或者以零動態的穩定性為約束條件，就可以確定控制分配函式中的參數。

2.最佳化方法

由於過驅動系統中存在冗餘控制，則按一般的設計方法對控制的求解是不唯一的，因此可以引入附加需求使解唯一。而這些附加需求可以視為目標函式或者約束，那么控制分配問題就變成約束規劃問題。針對約束規劃下系統的穩定控制問題，一種直接方法就是與最優控制相結合。如果能將這種基於約束規劃的控制問題轉化為最優控制的描述形式，就可以直接套用相關結論，從而保證系統的穩定，並得到最優控制律。

3.內動態方法

內動態方法是一種針對具有內動態形式的系統進行穩定控制的方法。內動態方法實際上是對零動態方法的一種擴展，並且綜合了最佳化方法的思想。零動態實質上是內動態的一種特殊形式。基於內動態的穩定控制方法既可以將整個閉環系統的穩定性作為規劃中的約束條件，又可以將內動態的穩定性作為約束加入到規劃中，再分析整個閉環系統的穩定性。

4.滑模方法

由於滑模運動對干擾具有自適應性，因而利用滑模控制方法設計系統控制器能提高系統的抗干擾能力。利用滑模控制與控制分配相結合的方法對過驅動系統進行控制的研究，工作已取得一些進展，但是詳細分析系統穩定性的並不多見。近幾年，Alwi和Edwards在這方面做了一些工作，得到了系統穩定的一些結論。具體設計時在被控對象中考慮了驅動器的效率，能根據驅動器的不同效率對控制進行分配，並且適用於驅動器發生故障甚至完全失效的情況。

5.模型預測方法

這幾年，對模型預測控制分配方法的研究取得了一些進展。這種方法考慮了驅動器不同的動態特性和飽和約束，並將整個控制系統分成內環和外環。外環設計偽控制律完成參考輸入指令的跟蹤，而內環包括控制分配器和舵機動態，通過設計真實控制律完成偽控制指令的跟蹤。

6.智慧型方法

過驅動系統的穩定控制方法並不局限於上述幾種。其他方法如神經網路、模糊邏輯等都可以在相關文獻中找到。