नियंत्रण पुनर्विन्यास

गतिशील प्रणालियों के लिए दोष-सहिष्णु नियंत्रण या दोष-सहिष्णु नियंत्रण प्राप्त करने के लिए नियंत्रण सिद्धांत में नियंत्रण पुनर्विन्यास सक्रिय दृष्टिकोण है। इसका उपयोग तब किया जाता है जब गंभीर दोष (प्रौद्योगिकी), जैसे कि एक्चुएटर या सेंसर आउटेज, नियंत्रण लूप के टूटने का कारण बनता है, जिसे प्रणाली स्तर पर विफलता को रोकने के लिए पुनर्गठित किया जाना चाहिए। तथा लूप पुनर्गठन के अतिरिक्त, परिवर्तित संयंत्र गतिशीलता को समायोजित करने के लिए नियंत्रक (नियंत्रण सिद्धांत) मापदंडों को समायोजित किया जाना चाहिए। प्रतिक्रिया नियंत्रण के अनुसार प्रणाली की निर्भरता बढ़ाने की दिशा में नियंत्रण पुनर्विन्यास बिल्डिंग ब्लॉक है।

पुनर्विन्यास समस्या

विशिष्ट सक्रिय दोष-सहिष्णु नियंत्रण प्रणाली का योजनाबद्ध आरेख नाममात्र होते है, अर्थात दोष-मुक्त स्थिति में, निचला नियंत्रण लूप नियंत्रण लक्ष्यों को पूरा करने के लिए कार्य करता है। फॉल्ट-डिटेक्शन (एफडीआई) मॉड्यूल दोषों का पता लगाने और उन्हें भिन्न करने के लिए संवर्त-लूप प्रणाली की निगरानी करता है। त्रुटी का अनुमान पुनर्संरचना ब्लॉक को भेज दिया जाता है, जो त्रुटी के अतिरिक्त नियंत्रण लक्ष्यों तक पहुंचने के लिए नियंत्रण लूप को संशोधित करता है।

दोष मॉडलिंग

दाईं ओर का चित्र मानक नियंत्रण लूप में नियंत्रक द्वारा नियंत्रित संयंत्र को दर्शाता है।

संयंत्र का नाममात्र रैखिक मॉडल है

${\begin{cases}{\dot {\mathbf {x} }}&=\mathbf {A} \mathbf {x} +\mathbf {B} \mathbf {u} \\\mathbf {y} &=\mathbf {C} \mathbf {x} \end{cases}}$

किसी दोष के अधीन संयंत्र (आकृति में लाल तीर द्वारा दर्शाया गया है) को सामान्य रूप से मॉडल किया गया है

${\begin{cases}{\dot {\mathbf {x} }}_{f}&=\mathbf {A} _{f}\mathbf {x} _{f}+\mathbf {B} _{f}\mathbf {u} \\\mathbf {y} _{f}&=\mathbf {C} _{f}\mathbf {x} _{f}\end{cases}}$

जहां सबस्क्रिप्ट $f$ निरुपित करता है कि प्रणाली दोषपूर्ण है। यह दृष्टिकोण संशोधित प्रणाली आव्युह द्वारा गुणक दोषों को मॉडल करता है। विशेष रूप से, एक्चुएटर दोषों को नए इनपुट आव्युह $\mathbf {B} _{f}$ द्वारा दर्शाया जाता है, सेंसर दोष आउटपुट मैप $\mathbf {C} _{f}$ द्वारा दर्शाए जाते हैं, और आंतरिक संयंत्र दोषों को प्रणाली आव्युह $\mathbf {A} _{f}$ द्वारा दर्शाया जाता है .

चित्र का ऊपरी भाग पर्यवेक्षी लूप दिखाता है जिसमें त्रुटी का पता लगाना और अलगाव (एफडीआई) और पुन: कॉन्फ़िगरेशन सम्मिलित है जो लूप को परिवर्तित करता है

1. नियंत्रण लक्ष्य तक पहुँचने के लिए {$\mathbf {u} ,\mathbf {y}$} से नए इनपुट और आउटपुट सिग्नल चुनना,
2. नियंत्रक आंतरिक को परिवर्तित करना (गतिशील संरचना और मापदंड सहित),
3. संदर्भ इनपुट $\mathbf {w}$ को समायोजित करना |

इस प्रयोजन के लिए, इनपुट और आउटपुट के सदिश में सभी उपलब्ध सिग्नल होते हैं, न कि केवल वह जो नियंत्रक द्वारा त्रुटी-मुक्त संचालन में उपयोग किए जाते हैं।

वैकल्पिक परिदृश्य दोषों को योगात्मक बाहरी सिग्नल $\mathbf {f}$ के रूप में मॉडल कर सकते हैं जो कि इस स्तर के डेरिवेटिव और आउटपुट को इस प्रकार प्रभावित करता है :

${\begin{cases}{\dot {\mathbf {x} }}_{f}&=\mathbf {A} \mathbf {x} _{f}+\mathbf {B} \mathbf {u} +\mathbf {E} \mathbf {f} \\\mathbf {y} _{f}&=\mathbf {C} _{f}\mathbf {x} _{f}+\mathbf {F} \mathbf {f} \end{cases}}$

पुनर्विन्यास लक्ष्य

पुनर्विन्यास का लक्ष्य संयंत्र को संवर्त होने से रोकने के लिए पुन: कॉन्फ़िगर किए गए नियंत्रण-लूप प्रदर्शन को पर्याप्त बनाए रखना है। निम्नलिखित लक्ष्य प्रतिष्ठित हैं:

1. स्थिरीकरण
2. संतुलन पुनर्प्राप्ति
3. आउटपुट प्रक्षेपवक्र पुनर्प्राप्ति
4. स्तर प्रक्षेप पथ पुनर्प्राप्ति
5. क्षणिक समय प्रतिक्रिया पुनर्प्राप्ति

पुन: कॉन्फ़िगर किए गए संवर्त लूप की आंतरिक स्थिरता सामान्यतः न्यूनतम आवश्यकता होती है। संतुलन पुनर्प्राप्ति लक्ष्य (जिसे अशक्त लक्ष्य भी कहा जाता है) स्थिर-अवस्था आउटपुट संतुलन को संदर्भित करता है जो कि दिए गए स्थिर इनपुट के पश्चात पुन: कॉन्फ़िगर किया गया लूप पहुंचता है। यह संतुलन समान इनपुट के अनुसार नाममात्र संतुलन के समान होना चाहिए (क्योंकि समय अनंत की ओर जाता है)। यह लक्ष्य पुनर्विन्यास के पश्चात स्थिर-स्थिति संदर्भ ट्रैकिंग सुनिश्चित करता है। आउटपुट प्रक्षेपवक्र पुनर्प्राप्ति लक्ष्य (जिसे शक्तिशाली लक्ष्य भी कहा जाता है) और भी सख्त है। इसके लिए आवश्यक है कि किसी इनपुट की गतिशील प्रतिक्रिया हर समय नाममात्र प्रतिक्रिया के समान होनी चाहिए। स्तर प्रक्षेपवक्र पुनर्प्राप्ति लक्ष्य द्वारा आगे प्रतिबंध लगाए गए हैं, जिसके लिए आवश्यक है कि स्तर प्रक्षेपवक्र को किसी भी इनपुट के अनुसार पुनर्विन्यास द्वारा नाममात्र स्तिथियों में बहाल किया जा सकता है।

सामान्यतः व्यवहार में लक्ष्यों का संयोजन स्वीकार किया जाता है, जैसे स्थिरता के साथ संतुलन-पुनर्प्राप्ति लक्ष्य है।

यह प्रश्न कि विशिष्ट दोषों के लिए इन या समान लक्ष्यों तक पहुंचा जा सकता है या नहीं, पुनर्विन्यास विश्लेषण द्वारा संबोधित किया जाता है।

पुनर्विन्यास दृष्टिकोण

दोष छिपाना

File:FaultHiding with Goals.png

दोष छुपाने का सिद्धांत. दोषपूर्ण संयंत्र और नाममात्र नियंत्रक के मध्य पुनर्संरचना ब्लॉक रखा गया है। पुन: विन्यस्त संयंत्र व्यवहार नाममात्र व्यवहार से मेल खाना चाहिए। इसके अतिरिक्त, पुनर्विन्यास लक्ष्यों को निरुपित किया गया है।

इस प्रतिमान का उद्देश्य नाममात्र नियंत्रक को लूप में रखना है। इस प्रयोजन के लिए, दोषपूर्ण संयंत्र और नाममात्र नियंत्रक के मध्य पुनर्संरचना ब्लॉक रखा जा सकता है। दोषपूर्ण ट्री के साथ मिलकर, यह पुन: कॉन्फ़िगर किए गए ट्री का निर्माण करता है। पुनर्विन्यास ब्लॉक को इस आवश्यकता को पूरा करना होगा कि पुनर्विन्यासित संयंत्र का व्यवहार नाममात्र, अर्थात दोष-मुक्त संयंत्र के व्यवहार से मेल खाता है।

रैखिक मॉडल निम्नलिखित

निम्नलिखित रैखिक मॉडल में, नाममात्र संवर्त लूप की औपचारिक विशेषता को पुनर्प्राप्त करने का प्रयास किया जाता है। शास्त्रीय छद्म-उलटा विधि में राज्य-प्रतिक्रिया नियंत्रण संरचना के संवर्त लूप प्रणाली आव्युह ${\bar {\mathbf {A} }}=\mathbf {A} -\mathbf {B} \mathbf {K}$ का उपयोग किया जाता है। नया नियंत्रक $\mathbf {K} _{f}$ प्रेरित आव्युह मानदंड के अर्थ में ${\bar {\mathbf {A} }}$ का अनुमान लगाता हुआ पाया गया है।

आदर्श मॉडल में, कुछ नियमों के अनुसार पूर्ण लूप व्यवहार की स्पष्ट पुनर्प्राप्ति की अनुमति देने के लिए गतिशील कम्पेसाटर प्रस्तुत किया जाता है।

ईजेनस्ट्रक्चर असाइनमेंट में, नाममात्र संवर्त लूप ईजेनवैल्यू और ईजेनवेक्टर (ईजेनस्ट्रक्चर) को त्रुटी के पश्चात नाममात्र स्तिथियों में पुनर्प्राप्त किया जाता है।

अनुकूलन-आधारित नियंत्रण योजनाएं

अनुकूलन नियंत्रण योजनाओं में रैखिक-द्विघात नियामक डिजाइन (एलक्यूआर), मॉडल पूर्वानुमान नियंत्रण (एमपीसी) और ईजेनस्ट्रक्चर असाइनमेंट विधियां आदि सम्मिलित हैं: ।

संभाव्य दृष्टिकोण

कुछ संभाव्य दृष्टिकोण विकसित किए गए हैं।

सीखने पर नियंत्रण

इसमें लर्निंग ऑटोमेटा, न्यूरल नेटवर्क आदि सम्मिलित हैं।

गणितीय उपकरण और रूपरेखा

जिन विधियों से पुनर्विन्यास प्राप्त किया जाता है वे इनसे अधिक भिन्न होते हैं। निम्नलिखित सूची सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले गणितीय दृष्टिकोणों का अवलोकन देती है।

• अनुकूली नियंत्रण (एसी)
• डिस्टर्बेंस डिकॉउलिंग (डीडी)
• ईजेनस्ट्रक्चर असाइनमेंट (ईए)
• शेड्यूल प्राप्त करें (जीएस)/रैखिक मापदंड भिन्न (एलपीवी)
• सामान्यीकृत आंतरिक मॉडल नियंत्रण (जीआईएमसी)
• बुद्धिमान नियंत्रण (आईसी)
• रैखिक आव्युह असमानता (एलएमआई)
• रैखिक-द्विघात नियामक (एलक्यूआर)
• मॉडल अनुसरण (एमएफ)
• मॉडल भविष्य कहनेवाला नियंत्रण (एमपीसी)
• छद्म उलटा|छद्म उलटा विधि (पीआईएम)
• शक्तिशाली नियंत्रण तकनीक

यह भी देखें

पुन: कॉन्फ़िगरेशन को नियंत्रित करने से पहले, कम से कम यह निर्धारित किया जाना चाहिए कि क्या कोई त्रुटी हुई है कि नही (त्रुटी का पता लगाना) और यदि हुई है, तब कौन से अवयव प्रभावित हुए हैं (त्रुटी अलगाव)। अधिमानतः दोषपूर्ण संयंत्र का मॉडल प्रदान (दोष पहचान) किया जाना चाहिए। इन प्रश्नों का समाधान दोष निदान विधियों द्वारा किया जाता है।

दोष सहनशीलता प्राप्त करने के लिए दोष समायोजन और सामान्य दृष्टिकोण है। नियंत्रण पुनर्विन्यास के विपरीत, समायोजन आंतरिक नियंत्रक परिवर्तनों तक ही सीमित है। नियंत्रक द्वारा परिवर्तन और मापे गए संकेतों के समूह निश्चित हैं, जिसका अर्थ है कि लूप को पुनर्गठित नहीं किया जा सकता है।

अग्रिम पठन

• Blanke, M.; Kinnaert, M.; Lunze, J.; Staroswiecki, M. (2006), Diagnosis and Fault-Tolerant Control (2nd ed.), Springer
• Steffen, T. (2005), Control Reconfiguration of Dynamical Systems, Springer
• Staroswiecki, M. (2005), "Fault Tolerant Control: The Pseudo-Inverse Method Revisited", Proceedings of the 16th IFAC World Congress, Prague, Czech Republic: IFAC
• Lunze, J.; Rowe-Serrano, D.; Steffen, T. (2003), "Control Reconfiguration Demonstrated at a Two-Degrees-of-Freedom Helicopter Model", Proceedings of European Control Conference (ECC), Cambridge, UK.{{citation}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
• Maciejowski, J.; Jones, C. (2003), "MPC Fault-Tolerant Flight Control Case Study: Flight 1862", Proceedings of the SAFEPROCESS 2003: 5th Symposium on Detection and Safety for Technical Processes, Washington D.C., USA: IFAC, pp. 265–276
• Mahmoud, M.; Jiang, J.; Zhang, Y. (2003), Active Fault Tolerant Control Systems - Stochastic Analysis and Synthesis, Springer
• Zhang, Y.; Jiang, J. (2003), "Bibliographical review on reconfigurable fault-tolerant control systems", Proceedings of the SAFEPROCESS 2003: 5th Symposium on Detection and Safety for Technical Processes, Washington D.C., USA: IFAC, pp. 265–276
• Patton, R. J. (1997), "Fault-tolerant control: the 1997 situation", Preprints of IFAC Symposium on Fault Detection Supervision and Safety for Technical Processes, Kingston upon Hull, UK, pp. 1033–1055{{citation}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
• Rauch, H. E. (1995), "Autonomous control reconfiguration", IEEE Control Systems Magazine, 15 (6): 37–48, doi:10.1109/37.476385
• Rauch, H. E. (1994), "Intelligent fault diagnosis and control reconfiguration", IEEE Control Systems Magazine, 14 (3): 6–12, doi:10.1109/37.291462, S2CID 39931526
• Gao, Z.; Antsaklis, P.J. (1991), "Stability of the pseudo-inverse method for reconfigurable control systems", International Journal of Control, 53 (3): 717–729, doi:10.1080/00207179108953643
• Looze, D.; Weiss, J.L.; Eterno, J.S.; Barrett, N.M. (1985), "An Automatic Redesign Approach for Restructurable Control Systems", IEEE Control Systems Magazine, 5 (2): 16–22, doi:10.1109/mcs.1985.1104940, S2CID 12684489.
• Esna Ashari, A.; Khaki Sedigh, A.; Yazdanpanah, M. J. (2005), "Reconfigurable control system design using eigenstructure assignment: static, dynamic and robust approaches", International Journal of Control, 78 (13): 1005–1016, doi:10.1080/00207170500241817, S2CID 121350006.