容錯(cuò)控制簡(jiǎn)介

1、1.2 容錯(cuò)技術(shù)簡(jiǎn)介 容錯(cuò)控制及其系統(tǒng)組成 容錯(cuò)控制的發(fā)展及研究現(xiàn)狀1.2.1 容錯(cuò)控制的概念和任務(wù)容錯(cuò)概念最初來源于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域， 是指系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)節(jié)發(fā)生局部故障或失效情況 下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仍能繼續(xù)正常運(yùn)行的一種特性。 后來人們逐漸把容錯(cuò)的概念引入到控制系統(tǒng)， 這樣人們雖然無法保證控制系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)的絕對(duì)可靠， 但是構(gòu)成容錯(cuò)控制系統(tǒng)后， 可以使系 統(tǒng)中的各個(gè)故障因素對(duì)控制性能的影響被顯著削弱，從而間接地提高了控制系統(tǒng)的可靠性。 特別是控制系統(tǒng)的重要部件的可靠度未知時(shí)， 容錯(cuò)技術(shù)更是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段保證系統(tǒng)可靠性 的必要手段。容錯(cuò)控制的指導(dǎo)思想是在基于一個(gè)控制系統(tǒng)遲早會(huì)發(fā)生故障的前提下， 在設(shè)計(jì)

2、控制系統(tǒng) 初期時(shí)就將可能發(fā)生的故障對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能影響考慮在內(nèi)。 最簡(jiǎn)單的情況， 如果傳感器或執(zhí)行器發(fā)生故障， 在故障后不改變控制律的情況下， 如何來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性 就是控制器設(shè)計(jì)過程中值得注意的問題。 在容錯(cuò)控制技術(shù)中， 這種問題屬于完整性控制的范 疇。在某種程度上， 容錯(cuò)控制系統(tǒng)是指具有內(nèi)部冗余（硬件冗余、 解析冗余、功能冗余和參 數(shù)冗余等）能力的控制系統(tǒng)， 即在某些部件 （執(zhí)行器、傳感器或元部件） 發(fā)生故障的情況下， 閉環(huán)系統(tǒng)仍然能保持穩(wěn)定， 并在原定性能指標(biāo)或性能指標(biāo)有所降低但可接受的條件下， 安全 地完成控制任務(wù)， 并具有較理想的特性。 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制是伴隨著基于

3、解析冗余的故障 診斷技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。1.2.2 容錯(cuò)控制的現(xiàn)狀研究容錯(cuò)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為： 傳感器、 故障檢測(cè)與診斷子系統(tǒng)、 執(zhí)行器和控制器。 其中， 故障檢測(cè)與診斷子系統(tǒng)能夠?qū)刂葡到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)故障監(jiān)測(cè)與辨識(shí)等； 控制器則根據(jù)故障診斷 信息作出相應(yīng)的處理， 實(shí)施新的容錯(cuò)控制策略， 保證系統(tǒng)在故障狀態(tài)下仍能獲得良好的控制 效果。在實(shí)際控制系統(tǒng)中 , 各個(gè)基本環(huán)節(jié)都有可能發(fā)生故障。容錯(cuò)控制系統(tǒng)有多種分類方法 , 如按系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)容錯(cuò)控制和非線性系統(tǒng)容錯(cuò)控制， 確定性系統(tǒng)容錯(cuò)控制和隨機(jī)系統(tǒng)容錯(cuò)控制等；按克服故障部件分類為執(zhí)行器故障容錯(cuò)控制， 傳感器故障容錯(cuò)控制 , 控制器故障容錯(cuò)控制和

4、部件故障容錯(cuò)控制等；按控制對(duì)象不同分為基 于硬件冗余和解析冗余的容錯(cuò)控制分類。 一般， 為了全面反映容錯(cuò)控制系統(tǒng)的特性， 常將上 述各種分類方法組合運(yùn)用。1. 硬件冗余方法硬件冗余是指對(duì)系統(tǒng)的重要部件及易發(fā)生故障部件設(shè)置各種備份, 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)某部件發(fā)生故障時(shí) ,對(duì)故障部分進(jìn)行隔離或自動(dòng)更換 , 使系統(tǒng)正常工作不受故障元器件的影響， 保證系統(tǒng) 的容錯(cuò)性能。 硬件冗余方法根據(jù)備份部件是否參與系統(tǒng)工作可分為靜態(tài)硬件冗余和動(dòng)態(tài)硬件 冗余。l） 靜態(tài)硬件冗余 : 并聯(lián)多個(gè)相同的組件 , 當(dāng)其中某幾個(gè)發(fā)生故障時(shí)并不影響其它組件的 正常工作。2） 動(dòng)態(tài)硬件冗余 : 在系統(tǒng)中不接入備份組件 , 只有在原組件發(fā)生

5、故障后 , 才把輸入和輸出 端轉(zhuǎn)接到備份組件上來 , 同時(shí)切斷故障組件的輸入和輸出端 , 即運(yùn)行模塊的失效， 備用模塊代 替運(yùn)行模塊工作。系統(tǒng)應(yīng)該具有自動(dòng)發(fā)現(xiàn)故障的能力與自動(dòng)轉(zhuǎn)接設(shè)備。硬件冗余方法可以用于任何硬件環(huán)節(jié)失效的容錯(cuò)控制, 建立起來的控制系統(tǒng)將具有較強(qiáng) 的容錯(cuò)能力，具有簡(jiǎn)單、有效、檢測(cè)快速等優(yōu)點(diǎn)，但是重復(fù)的硬件設(shè)備多 , 使系統(tǒng)投資、能 耗增加，一般只用于重要部件的備份。2. 基于解析冗余的設(shè)計(jì)方法 解析冗余的容錯(cuò)控制方案通過分析控制系統(tǒng)中不同部件在功能上的冗余性 , 進(jìn)而通過控 制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)局部故障的容錯(cuò)。 在正常狀態(tài)下 , 控制系統(tǒng)中所有的部件都處于工作狀態(tài) , 當(dāng)某些部件失

6、效時(shí) ,其余完好的部件部分地或全部地承擔(dān)起故障部件所失去的控制作用 , 使 控制系統(tǒng)的性能維持在允許的范圍內(nèi)。 解析冗余的容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)方法根據(jù)是否基于故障檢 測(cè)與診斷機(jī)構(gòu)， 分為主動(dòng)容錯(cuò)控制和被動(dòng)容錯(cuò)控制兩種類型。 本文主要討論基于被動(dòng)容錯(cuò)控 制技術(shù)在懸浮系統(tǒng)中的應(yīng)用。l) 被動(dòng)容錯(cuò)控制器被動(dòng)容錯(cuò)控制就是在不改變控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)的條件下 , 利用魯棒控制技術(shù)使整個(gè)閉環(huán) 系統(tǒng)對(duì)某些確定的故障具有不敏感性 , 以達(dá)到故障后系統(tǒng)在原有的性能指標(biāo)下繼續(xù)工作的目 的。它將系統(tǒng)中的故障歸結(jié)為系統(tǒng)中的參數(shù)攝動(dòng)問題。被動(dòng)容錯(cuò)控制器的參數(shù)一般為常數(shù) , 不需要實(shí)時(shí)獲取故障信息 , 也不需要在線調(diào)整控制器的結(jié)構(gòu)

7、和參數(shù) , 故其容錯(cuò)能力有限。根據(jù)容錯(cuò)控制對(duì)象的不同 , 被動(dòng)容錯(cuò)大致可以分成可靠鎮(zhèn)定、完整性、聯(lián)立鎮(zhèn)定等幾種 類型?？煽挎?zhèn)定 (RellableStabilization) 可靠鎮(zhèn)定是指采用兩個(gè)或者多個(gè)補(bǔ)償器并行地鎮(zhèn)定同一個(gè)被控對(duì)象， 當(dāng)其中任意一個(gè)或 多個(gè)補(bǔ)償器發(fā)生故障后失效， 而剩余的補(bǔ)償器還能夠正常工作時(shí)， 閉環(huán)系統(tǒng)仍然可以穩(wěn)定的 運(yùn)行。可靠鎮(zhèn)定實(shí)際上是關(guān)于控制器的容錯(cuò)控制問題。例如要求尋找是否存在兩個(gè)控制器 , 它們既能單獨(dú)又能共同鎮(zhèn)定同一個(gè)被控對(duì)象。 如果存在 , 則無論是它們共同工作 , 還是其中一 個(gè)單獨(dú)工作 , 閉環(huán)系統(tǒng)都是穩(wěn)定的。完整性控制 (Integrality con

8、irol)完整性控制是多變量系統(tǒng)中一類特殊的問題 , 主要針對(duì)傳感器和執(zhí)行器故障的容錯(cuò)控制。 即如果發(fā)生執(zhí)行器或傳感器卡死、飽和與斷路故障時(shí) , 或執(zhí)行器和傳感器同時(shí)發(fā)生故障時(shí)， 閉環(huán)系統(tǒng)仍然是穩(wěn)定的 , 那么就稱此系統(tǒng)具有完整性 , 通常也稱該回路為具有完整性的控制 回路。完整性控制一般研究的對(duì)象是線性定常系統(tǒng), 設(shè)計(jì)方法有 : 時(shí)域設(shè)計(jì)方法、 參數(shù)空間設(shè)計(jì)法 Riccati 方程、極點(diǎn)配置技術(shù)、 Lyapunov 方法以及 LMI 方法等。聯(lián)立鎮(zhèn)定聯(lián)立鎮(zhèn)定也稱為同時(shí)鎮(zhèn)定， 是針對(duì)被控對(duì)象內(nèi)部元件故障的一種容錯(cuò)控制方法。 給定多 個(gè)被控對(duì)象(把任一帶有不同類型故障的系統(tǒng)都看作一個(gè)單獨(dú)的被控對(duì)

9、象) ，聯(lián)立鎮(zhèn)定問題 的目標(biāo)是： 構(gòu)造一個(gè)固定的控制器， 使其可以鎮(zhèn)定上述的任意一個(gè)被控對(duì)象， 則該控制器對(duì) 被控制對(duì)象的特性變化具有魯棒性， 對(duì)系統(tǒng)故障具有穩(wěn)定意義上的容錯(cuò)能力。 聯(lián)立鎮(zhèn)定問題 的實(shí)質(zhì)是： 設(shè)計(jì)一個(gè)固定的控制器來鎮(zhèn)定一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的多模型。 聯(lián)立鎮(zhèn)定問題的主要作用 是：一方面 , 在被控對(duì)象發(fā)生故障的情況下， 仍然可以使其保持穩(wěn)定， 達(dá)到容錯(cuò)控制的目的； 另一方面對(duì)于非線性控制對(duì)象， 由于經(jīng)常是通過采用線性控制的方法在某一工作點(diǎn)上對(duì)其進(jìn) 行控制，因此，當(dāng)工作點(diǎn)變動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的線性模型則不同，此時(shí)，具有聯(lián)立鎮(zhèn)定功能的控制 器可以使得系統(tǒng)在不同工作點(diǎn)上都是穩(wěn)定的，從而起到鎮(zhèn)定被控對(duì)象

10、的作用。2) 主動(dòng)容錯(cuò)控制器被動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)是針對(duì)系統(tǒng)特定的故障集而設(shè)計(jì)的 , 其設(shè)計(jì)過程通常比較復(fù)雜 ,設(shè)計(jì) 出來的控制器通常過于保守 , 其性能不可能是最優(yōu)的。而且當(dāng)發(fā)生的故障不屬于設(shè)計(jì)階段所 考慮的故障集時(shí) , 系統(tǒng)的穩(wěn)定性都可能無法得到保證。 這是被動(dòng)容錯(cuò)控制的不足之處 ,卻是主 動(dòng)容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)所能解決的問題。 主動(dòng)容錯(cuò)控制在故障發(fā)生后需要根據(jù)故障情況重新調(diào)整控 制器的參數(shù) , 也可能需要改變控制器的結(jié)構(gòu)。大多數(shù)主動(dòng)容錯(cuò)控制需要故障檢測(cè)與診斷子系 統(tǒng),只有少部分不需要 FDD子系統(tǒng)，但也需要獲知各種故障信息。 主動(dòng)容錯(cuò)控制大體上可以分 為控制律重新調(diào)度、控制律重構(gòu)和模型跟隨重組三大類。

11、控制律重新調(diào)度 (Redistribution)控制律重新調(diào)度是 Astrom 等人在 1989 年提出的。 其基本思想是離線計(jì)算出各種故障下 所需的控制律，并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。然后，根據(jù)在線FDD提供最新的故障信息進(jìn)行控制器的選 擇和切換 ， 組成一個(gè)新的閉環(huán)控制系統(tǒng) ， 從而起對(duì)故障容錯(cuò)的作用 6G-63 。顯然， 這種主動(dòng)容 錯(cuò)控制策略對(duì)故障檢測(cè)與診斷機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)性要求比較高 ， 也需要對(duì)被控系統(tǒng)的認(rèn)知程度比較 深。采用實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)進(jìn)行控制器的切換將會(huì)產(chǎn)生很好的效果。 該方法現(xiàn)已應(yīng)用于航空控制、 航天控制、化學(xué)過程等?？刂坡芍貥?gòu)設(shè)計(jì) (Reconfiguration)控制律重構(gòu)設(shè)計(jì)：即在FDD單元故障定位后，根據(jù)系統(tǒng)本身提供的冗余信息 ，結(jié)合故障系 統(tǒng)的新環(huán)境 ， 在線重組或重構(gòu)控制律。需要說明的是原系統(tǒng)本身具