容錯控制簡介

1、1.2 容錯技術(shù)簡介 容錯控制及其系統(tǒng)組成 容錯控制的發(fā)展及研究現(xiàn)狀1.2.1 容錯控制的概念和任務(wù)容錯概念最初來源于計算機系統(tǒng)設(shè)計領(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，計算機系統(tǒng)仍能繼續(xù)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(tǒng)， 這樣人們雖然無法保證控制系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)的絕對可靠， 但是構(gòu)成容錯控制系統(tǒng)后， 可以使系 統(tǒng)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(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， 容錯技術(shù)更是在系統(tǒng)設(shè)計階段保證系統(tǒng)可靠性 的必要手段。容錯控制的指導(dǎo)思想是在基于一個控制系統(tǒng)遲早會發(fā)生故障的前提下， 在設(shè)計

2、控制系統(tǒng) 初期時就將可能發(fā)生的故障對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及靜態(tài)和動態(tài)性能影響考慮在內(nèi)。 最簡單的情況， 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)計過程中值得注意的問題。 在容錯控制技術(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。 動態(tài)系統(tǒng)的容錯控制是伴隨著基于

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 容錯控制的現(xiàn)狀研究容錯控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為： 傳感器、 故障檢測與診斷子系統(tǒng)、 執(zhí)行器和控制器。 其中， 故障檢測與診斷子系統(tǒng)能夠?qū)刂葡到y(tǒng)進行實時故障監(jiān)測與辨識等； 控制器則根據(jù)故障診斷 信息作出相應(yīng)的處理， 實施新的容錯控制策略， 保證系統(tǒng)在故障狀態(tài)下仍能獲得良好的控制 效果。在實際控制系統(tǒng)中 , 各個基本環(huán)節(jié)都有可能發(fā)生故障。容錯控制系統(tǒng)有多種分類方法 , 如按系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)容錯控制和非線性系統(tǒng)容錯控制， 確定性系統(tǒng)容錯控制和隨機系統(tǒng)容錯控制等；按克服故障部件分類為執(zhí)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(tǒng)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(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 ,對故障部分進行隔離或自動更換 , 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)硬件冗余和動態(tài)硬件 冗余。l） 靜態(tài)硬件冗余 : 并聯(lián)多個相同的組件 , 當(dāng)其中某幾個發(fā)生故障時并不影響其它組件的 正常工作。2） 動態(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(tǒng)應(yīng)該具有自動發(fā)現(xiàn)故障的能力與自動轉(zhuǎn)接設(shè)備。硬件冗余方法可以用于任何硬件環(huán)節(jié)失效的容錯控制, 建立起來的控制系統(tǒng)將具有較強 的容錯能力，具有簡單、有效、檢測快速等優(yōu)點，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)計方法 解析冗余的容錯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 , 進而通過控 制器的設(shè)計實現(xiàn)對局部故障的容錯。 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 ,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)。 解析冗余的容錯控制器設(shè)計方法根據(jù)是否基于故障檢 測與診斷機構(gòu)， 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(shù)在懸浮系統(tǒng)中的應(yīng)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(jié)構(gòu)和參數(shù)的條件下 , 利用魯棒控制技術(shù)使整個閉環(huán) 系統(tǒng)對某些確定的故障具有不敏感性 , 以達到故障后系統(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)攝動問題。被動容錯控制器的參數(shù)一般為常數(shù) , 不需要實時獲取故障信息 , 也不需要在線調(diào)整控制器的結(jié)構(gòu)

7、和參數(shù) , 故其容錯能力有限。根據(jù)容錯控制對象的不同 , 被動容錯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)定是指采用兩個或者多個補償器并行地鎮(zhèn)定同一個被控對象， 當(dāng)其中任意一個或 多個補償器發(fā)生故障后失效， 而剩余的補償器還能夠正常工作時， 閉環(huán)系統(tǒng)仍然可以穩(wěn)定的 運行?？煽挎?zhèn)定實際上是關(guān)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(zhèn)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(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 , 主要針對傳感器和執(zhí)行器故障的容錯控制。 即如果發(fā)生執(zhí)行器或傳感器卡死、飽和與斷路故障時 , 或執(zhí)行器和傳感器同時發(fā)生故障時， 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象是線性定常系統(tǒng), 設(shè)計方法有 : 時域設(shè)計方法、 參數(shù)空間設(shè)計法 Riccati 方程、極點配置技術(shù)、 Lyapunov 方法以及 LMI 方法等。聯(lián)立鎮(zhèn)定聯(lián)立鎮(zhèn)定也稱為同時鎮(zhèn)定， 是針對被控對象內(nèi)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(tǒng)都看作一個單獨的被控對

9、象) ，聯(lián)立鎮(zhèn)定問題 的目標(biāo)是： 構(gòu)造一個固定的控制器， 使其可以鎮(zhèn)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(tǒng)故障具有穩(wěn)定意義上的容錯能力。 聯(lián)立鎮(zhèn)定問題 的實質(zhì)是： 設(shè)計一個固定的控制器來鎮(zhèn)定一個動態(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 , 在被控對象發(fā)生故障的情況下， 仍然可以使其保持穩(wěn)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(jīng)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(dāng)工作點變動時，對應(yīng)的線性模型則不同，此時，具有聯(lián)立鎮(zhèn)定功能的控制 器可以使得系統(tǒng)在不同工作點上都是穩(wěn)定的，從而起到鎮(zhèn)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(tǒng)是針對系統(tǒng)特定的故障集而設(shè)計的 , 其設(shè)計過程通常比較復(fù)雜 ,設(shè)計 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)計階段所 考慮的故障集時 , 系統(tǒng)的穩(wěn)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(shè)計所能解決的問題。 主動容錯控制在故障發(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)主動容錯控制需要故障檢測與診斷子系 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。 主動容錯控制大體上可以分 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(jù)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(huán)控制系統(tǒng) ， 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(gòu)的實時性要求比較高 ， 也需要對被控系統(tǒng)的認(rèn)知程度比較 深。采用實時專家系統(tǒng)進行控制器的切換將會產(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 (Reconfiguration)控制律重構(gòu)設(shè)計：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