[论文解读] Plug-and-play fault diagnosis and control-reconfiguration for a class of nonlinear large-scale constrained systems

Stefano Riverso, Francesca Boem+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2014

Fault Detection and Control Systems参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于非线性大规模系统（nonlinear large-scale systems）的即插即用（plug-and-play, PnP）故障诊断与控制重构框架，结合分布式模型预测控制（distributed Model Predictive Control, DiMPC）与分布式故障检测（distributed fault detection, FD）。通过实现故障子系统在不破坏整体系统稳定性的前提下安全地断开与重新连接，该方法通过去中心化设计和对建模不确定性的鲁棒性，确保了系统稳定性和约束满足。

ABSTRACT

This paper deals with a novel Plug-and-Play (PnP) architecture for the control and monitoring of Large-Scale Systems (LSSs). The proposed approach integrates a distributed Model Predictive Control (MPC) strategy with a distributed Fault Detection (FD) architecture and methodology in a PnP framework. The basic concept is to use the FD scheme as an autonomous decision support system: once a fault is detected, the faulty subsystem can be unplugged to avoid the propagation of the fault in the interconnected LSS. Analogously, once the issue has been solved, the disconnected subsystem can be re-plugged-in. PnP design of local controllers and detectors allow these operations to be performed safely, i.e. without spoiling stability and constraint satisfaction for the whole LSS. The PnP distributed MPC is derived for a class of nonlinear LSS and an integrated PnP distributed FD architecture is proposed. Simulation results show the effectiveness and the potential of the general methodology.

研究动机与目标

• 通过实现故障的自主检测与子系统隔离，解决大规模系统（LSSs）中故障传播的挑战。
• 开发一种即插即用（PnP）架构，使故障子系统能够安全断开与重新连接，而不会导致整体系统失稳。
• 通过去中心化控制器与检测器设计，确保在插拔操作期间整体系统的稳定性和递归可行性。
• 将分布式MPC与一种新型PnP分布式故障检测架构相结合，应用于非线性、受限的大规模系统（LSSs）。
• 通过解耦控制与诊断模型，实现控制与诊断的不同建模方式与采样率。

提出的方法

• 采用去中心化设计方法，其中本地控制器与故障检测器仅基于父子系统的相关信息进行综合设计，避免依赖全局系统知识。
• 针对具有状态与输入约束的一类非线性LSS，实施分布式模型预测控制（DiMPC）策略。
• 设计一种基于本地模型的分布式故障检测（FD）方案，其模型与MPC中使用的模型不同，从而提高对建模与测量不确定性的鲁棒性。
• 应用即插即用机制，通过李雅普诺夫（Lyapunov-based）分析，在断开/重新连接子系统前后验证系统稳定性与约束满足性。
• 利用集合论工具与鲁棒性分析（如鲁棒控制不变集、集合反演等），确保递归可行性和系统收敛至原点。
• 利用闭环系统鲁棒控制不变（RCI）集在PnP操作下保持不变的特性，确保长期稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种分布式故障检测架构，使得在不损害整体系统稳定性或约束满足性的前提下，实现故障子系统的安全断开？
• RQ2 如何为具有状态与输入约束的非线性大规模系统设计一种即插即用的控制重构机制？
• RQ3 在即插即用框架中，为控制与诊断使用不同模型的范围有多大，同时仍能保持系统整体稳定性？
• RQ4 在何种条件下，修复后子系统的重新连接无需对其他所有本地控制器与检测器进行重新调参？
• RQ5 系统在子系统断开后重新连接时，如何保持递归可行性和收敛至原点？

主要发现

• 所提出的PnP架构确保断开故障子系统后，其余所有子系统的稳定性与约束满足性均得以保持。
• 只要验证了插入条件，修复后子系统的重新连接无需对其他本地控制器或故障检测器进行重新调参。
• 在整体系统鲁棒控制不变（RCI）集保持不变的假设下，该方法保证了递归可行性和收敛至原点。
• 通过使用与MPC中不同的本地模型，故障检测方案对建模与测量不确定性具有鲁棒性。
• 理论分析证明，PnP操作后闭环系统保持稳定且满足约束，收敛性通过李雅普诺夫论证得以确立。
• 该框架支持控制与诊断组件之间不同的采样率，增强了在实时系统中实际部署的可行性。