[科普中国]-过驱动系统-

名词解释

随着现代科学技术的迅速发展，系统日趋复杂，规模日益增大，其自动化程度越来越高，实际应用中对控制系统的安全性，可靠性和有效性都提出了越来越高的要求，利用单一驱动实现单一控制目标的传统方式已难以满足复杂控制系统的高可靠性要求，因此，具有冗余执行机构的过驱动控制系统得到了广阔的应用，并受到理论界和工程应用界的高度重视。

过驱动系统是一类控制输入数多于输出数的系统，这些冗余控制为控制器的设计提供更大的自由度，比如可以考虑引入更多的设计目标，容许驱动器故障等。但同时对控制系统的设计提出了挑战，即在冗余及驱动器故障情况下如何将伪控制指令分配给各个控制。

过驱动控制系统的基本思想是采用多组执行机构实现近似的控制效应，并通过控制分配将控制指令合理、有效的分配到各个执行器上。近年来，由于计算机技术和高效优化算法的发展，使得过驱动系统的控制分配理论得到了深入的研究，并在航空航天、航海、汽车、机器人等实际工程领域中得到了广泛的应用。如飞行器为提高飞行性能在传统的副翼、升降舵和方向舵的基础上增加了襟翼、缝翼、扰流片等操纵面。

典型应用1. 具有多操纵面的飞行器具有多操纵面的飞行器是过驱动系统控制分配理论研究和应用成果最丰富的研究领域之一。最初的飞行器，为了进行姿态控制，分别采用升降舵控制俯仰，方向舵控制航向，副翼控制滚转，且以此为基础设计三个通道互相解耦的自动驾驶仪来实现飞行器的姿态稳定控制。

随着对飞行器飞行品质与多样化的要求，人们提出了比简单的姿态稳定巡航飞行更复杂的飞行动作并希望能自动化实现，单纯的三组操纵面已难以满足要求。因此，设计人员提出了各种气动布局形式，主要包括：常规布局、鸭式布局、三角翼面布局、飞翼布局和无尾布局等。在先进的飞行器布局方式中，操纵面的余度配置形成了广义多操纵面布局的气动冗余1。

过驱动水下航行器对于推力器冗余的水下航行器，国内的哈尔滨工程大学与沈阳自动化研究所对水下潜器的容错控制分配技术开展了研究。传统的控制分配策略都是根据水下潜器的推力器布置情况，预先确定一种分配方案，在潜器运行过程中始终采用这种分配逻辑进行控制分配。哈尔滨工程大学的刘建成博士在预先设定的一种分配方案上，提出当出现推力器故障时可通过实时改变控制分配矩阵来实现水下机器人的容错控制。沈阳自动化研究所的俞建成等根据推力器的故障信息动态调整分配策略，通过修正推力器的最大推力约束条件、降低故障推力器的使用优先等级来达到容错的目的。T．K．Podder等人在ODIN水下机器人上对所提出的容错控制分配策略进行了水池试验验证。K．C．Yang，J．Yuh等同样在ODIN水下机器人上对所提出的推力器故障检测、故障隔离以及可重构策略进行了实验验证。ODIN水下机器人的外形近似球型，在水平面上配备了4个推力器，在垂直面上配备了4个推力器。
过驱动水面航行器对于只需要控制水平面三个自由度(纵荡、横荡、艏摇)运动的水面船舶、半潜式海洋平台等水面航行器，通常配备冗余的固定轴推力器、可回转推力器以及舵等多种推进设备来提高船舶的操纵性，所以控制输入往往是多重冗余。近年来，随着电力推进技术的发展，高性能推进设备如全回转推力器、吊舱推力器等被逐渐应用到新建成的船舶与海洋结构物上，由于全回转推力器可以在水平面内同时产生纵向与横向的推力，所以可以取代船舶尾舵的作用来实现转艏。近年由中海油公司与中国船舶工业集团共同打造的“海洋石油981”深水半潜式钻井平台与“海洋石油201”深水铺管起重船的推力器系统全部采用了全回转推力器2。

稳定性设计方法对于过驱动系统的控制，一种直接的设计方法可以采用最优控制，如果进一步考虑系统的鲁棒性，可以采用Η∞控制。这种方法由于考虑了性能指标，因而可以使控制解唯一。其主要优点是稳定性容易得到保证，但是不易处理驱动器故障情况。另一种常用的方法是引入控制分配，将过驱动系统化为方形系统，然后在此基础上设计控制器。这两种方法在某种程度上具有等价性。显然，后者由于引入了控制分配器，当驱动器发生故障时，能够对伪控制指令重新分配，具有容错能力。基于控制分配的过驱动系统的稳定性设计方法包括：

1.零动态方法这种方法将过驱动系统的稳定控制问题转化为零动态的稳定性问题，而零动态的稳定性只取决于控制分配方法，从而简化了系统设计。如果给定某种特定结构的控制分配函数，那么通过分析零动态的稳定性，或者以零动态的稳定性为约束条件，就可以确定控制分配函数中的参数。

2.优化方法由于过驱动系统中存在冗余控制，则按一般的设计方法对控制的求解是不唯一的，因此可以引入附加需求使解唯一。而这些附加需求可以视为目标函数或者约束，那么控制分配问题就变成约束规划问题。针对约束规划下系统的稳定控制问题，一种直接方法就是与最优控制相结合。如果能将这种基于约束规划的控制问题转化为最优控制的描述形式，就可以直接应用相关结论，从而保证系统的稳定，并得到最优控制律。

3.内动态方法内动态方法是一种针对具有内动态形式的系统进行稳定控制的方法。内动态方法实际上是对零动态方法的一种扩展，并且综合了优化方法的思想。零动态实质上是内动态的一种特殊形式。基于内动态的稳定控制方法既可以将整个闭环系统的稳定性作为规划中的约束条件，又可以将内动态的稳定性作为约束加入到规划中，再分析整个闭环系统的稳定性。

4.滑模方法由于滑模运动对干扰具有自适应性，因而利用滑模控制方法设计系统控制器能提高系统的抗干扰能力。利用滑模控制与控制分配相结合的方法对过驱动系统进行控制的研究，工作已取得一些进展，但是详细分析系统稳定性的并不多见。近几年，Alwi和Edwards在这方面做了一些工作，得到了系统稳定的一些结论。具体设计时在被控对象中考虑了驱动器的效率，能根据驱动器的不同效率对控制进行分配，并且适用于驱动器发生故障甚至完全失效的情况。

5.模型预测方法这几年，对模型预测控制分配方法的研究取得了一些进展。这种方法考虑了驱动器不同的动态特性和饱和约束，并将整个控制系统分成内环和外环。外环设计伪控制律完成参考输入指令的跟踪，而内环包括控制分配器和舵机动态，通过设计真实控制律完成伪控制指令的跟踪。

6.智能方法过驱动系统的稳定控制方法并不局限于上述几种。其他方法如神经网络、模糊逻辑等都可以在相关文献中找到3。