1、1.2 容錯技術簡介 容錯控制及其系統組成 容錯控制的發展及研究現狀1.2.1 容錯控制的概念和任務容錯概念最初來源于計算機系統設計領域， 是指系統內部環節發生局部故障或失效情況 下，計算機系統仍能繼續正常運行的一種特性。 后來人們逐漸把容錯的概念引入到控制系統， 這樣人們雖然無法保證控制系統每個環節的絕對可靠， 但是構成容錯控制系統后， 可以使系 統中的各個故障因素對控制性能的影響被顯著削弱，從而間接地提高了控制系統的可靠性。 特別是控制系統的重要部件的可靠度未知時， 容錯技術更是在系統設計階段保證系統可靠性 的必要手段。容錯控制的指導思想是在基于一個控制系統遲早會發生故障的前提下， 在設計

2、控制系統 初期時就將可能發生的故障對系統的穩定性及靜態和動態性能影響考慮在內。 最簡單的情況， 如果傳感器或執行器發生故障， 在故障后不改變控制律的情況下， 如何來維持系統的穩定性 就是控制器設計過程中值得注意的問題。 在容錯控制技術中， 這種問題屬于完整性控制的范 疇。在某種程度上， 容錯控制系統是指具有內部冗余（硬件冗余、 解析冗余、功能冗余和參 數冗余等）能力的控制系統， 即在某些部件 （執行器、傳感器或元部件） 發生故障的情況下， 閉環系統仍然能保持穩定， 并在原定性能指標或性能指標有所降低但可接受的條件下， 安全 地完成控制任務， 并具有較理想的特性。 動態系統的容錯控制是伴隨著基于

3、解析冗余的故障 診斷技術的發展而發展起來的。1.2.2 容錯控制的現狀研究容錯控制系統的基本結構為： 傳感器、 故障檢測與診斷子系統、 執行器和控制器。 其中， 故障檢測與診斷子系統能夠對控制系統進行實時故障監測與辨識等； 控制器則根據故障診斷 信息作出相應的處理， 實施新的容錯控制策略， 保證系統在故障狀態下仍能獲得良好的控制 效果。在實際控制系統中 , 各個基本環節都有可能發生故障。容錯控制系統有多種分類方法 , 如按系統分為線性系統容錯控制和非線性系統容錯控制， 確定性系統容錯控制和隨機系統容錯控制等；按克服故障部件分類為執行器故障容錯控制， 傳感器故障容錯控制 , 控制器故障容錯控制和

4、部件故障容錯控制等；按控制對象不同分為基 于硬件冗余和解析冗余的容錯控制分類。 一般， 為了全面反映容錯控制系統的特性， 常將上 述各種分類方法組合運用。1. 硬件冗余方法硬件冗余是指對系統的重要部件及易發生故障部件設置各種備份, 當系統內某部件發生故障時 ,對故障部分進行隔離或自動更換 , 使系統正常工作不受故障元器件的影響， 保證系統 的容錯性能。 硬件冗余方法根據備份部件是否參與系統工作可分為靜態硬件冗余和動態硬件 冗余。l） 靜態硬件冗余 : 并聯多個相同的組件 , 當其中某幾個發生故障時并不影響其它組件的 正常工作。2） 動態硬件冗余 : 在系統中不接入備份組件 , 只有在原組件發生

5、故障后 , 才把輸入和輸出 端轉接到備份組件上來 , 同時切斷故障組件的輸入和輸出端 , 即運行模塊的失效， 備用模塊代 替運行模塊工作。系統應該具有自動發現故障的能力與自動轉接設備。硬件冗余方法可以用于任何硬件環節失效的容錯控制, 建立起來的控制系統將具有較強 的容錯能力，具有簡單、有效、檢測快速等優點，但是重復的硬件設備多 , 使系統投資、能 耗增加，一般只用于重要部件的備份。2. 基于解析冗余的設計方法 解析冗余的容錯控制方案通過分析控制系統中不同部件在功能上的冗余性 , 進而通過控 制器的設計實現對局部故障的容錯。 在正常狀態下 , 控制系統中所有的部件都處于工作狀態 , 當某些部件失

6、效時 ,其余完好的部件部分地或全部地承擔起故障部件所失去的控制作用 , 使 控制系統的性能維持在允許的范圍內。 解析冗余的容錯控制器設計方法根據是否基于故障檢 測與診斷機構， 分為主動容錯控制和被動容錯控制兩種類型。 本文主要討論基于被動容錯控 制技術在懸浮系統中的應用。l) 被動容錯控制器被動容錯控制就是在不改變控制器結構和參數的條件下 , 利用魯棒控制技術使整個閉環 系統對某些確定的故障具有不敏感性 , 以達到故障后系統在原有的性能指標下繼續工作的目 的。它將系統中的故障歸結為系統中的參數攝動問題。被動容錯控制器的參數一般為常數 , 不需要實時獲取故障信息 , 也不需要在線調整控制器的結構

7、和參數 , 故其容錯能力有限。根據容錯控制對象的不同 , 被動容錯大致可以分成可靠鎮定、完整性、聯立鎮定等幾種 類型。可靠鎮定 (RellableStabilization) 可靠鎮定是指采用兩個或者多個補償器并行地鎮定同一個被控對象， 當其中任意一個或 多個補償器發生故障后失效， 而剩余的補償器還能夠正常工作時， 閉環系統仍然可以穩定的 運行。可靠鎮定實際上是關于控制器的容錯控制問題。例如要求尋找是否存在兩個控制器 , 它們既能單獨又能共同鎮定同一個被控對象。 如果存在 , 則無論是它們共同工作 , 還是其中一 個單獨工作 , 閉環系統都是穩定的。完整性控制 (Integrality con

8、irol)完整性控制是多變量系統中一類特殊的問題 , 主要針對傳感器和執行器故障的容錯控制。 即如果發生執行器或傳感器卡死、飽和與斷路故障時 , 或執行器和傳感器同時發生故障時， 閉環系統仍然是穩定的 , 那么就稱此系統具有完整性 , 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象是線性定常系統, 設計方法有 : 時域設計方法、 參數空間設計法 Riccati 方程、極點配置技術、 Lyapunov 方法以及 LMI 方法等。聯立鎮定聯立鎮定也稱為同時鎮定， 是針對被控對象內部元件故障的一種容錯控制方法。 給定多 個被控對象(把任一帶有不同類型故障的系統都看作一個單獨的被控對

9、象) ，聯立鎮定問題 的目標是： 構造一個固定的控制器， 使其可以鎮定上述的任意一個被控對象， 則該控制器對 被控制對象的特性變化具有魯棒性， 對系統故障具有穩定意義上的容錯能力。 聯立鎮定問題 的實質是： 設計一個固定的控制器來鎮定一個動態系統的多模型。 聯立鎮定問題的主要作用 是：一方面 , 在被控對象發生故障的情況下， 仍然可以使其保持穩定， 達到容錯控制的目的； 另一方面對于非線性控制對象， 由于經常是通過采用線性控制的方法在某一工作點上對其進 行控制，因此，當工作點變動時，對應的線性模型則不同，此時，具有聯立鎮定功能的控制 器可以使得系統在不同工作點上都是穩定的，從而起到鎮定被控對象

10、的作用。2) 主動容錯控制器被動容錯控制系統是針對系統特定的故障集而設計的 , 其設計過程通常比較復雜 ,設計 出來的控制器通常過于保守 , 其性能不可能是最優的。而且當發生的故障不屬于設計階段所 考慮的故障集時 , 系統的穩定性都可能無法得到保證。 這是被動容錯控制的不足之處 ,卻是主 動容錯控制設計所能解決的問題。 主動容錯控制在故障發生后需要根據故障情況重新調整控 制器的參數 , 也可能需要改變控制器的結構。大多數主動容錯控制需要故障檢測與診斷子系 統,只有少部分不需要 FDD子系統，但也需要獲知各種故障信息。 主動容錯控制大體上可以分 為控制律重新調度、控制律重構和模型跟隨重組三大類。

11、控制律重新調度 (Redistribution)控制律重新調度是 Astrom 等人在 1989 年提出的。 其基本思想是離線計算出各種故障下 所需的控制律，并儲存在計算機中。然后，根據在線FDD提供最新的故障信息進行控制器的選 擇和切換 ， 組成一個新的閉環控制系統 ， 從而起對故障容錯的作用 6G-63 。顯然， 這種主動容 錯控制策略對故障檢測與診斷機構的實時性要求比較高 ， 也需要對被控系統的認知程度比較 深。采用實時專家系統進行控制器的切換將會產生很好的效果。 該方法現已應用于航空控制、 航天控制、化學過程等。控制律重構設計 (Reconfiguration)控制律重構設計：即在FDD單元故障定位后，根據系統本身提供的冗余信息 ，結合故障系 統的新環境 ， 在線重組或重構控制律。需要說明的是原系統本身具