周振超(1982-)男，遼寧海城人，遼寧工業(yè)大學在讀研究生，研究方向為智能控制。

　　基金項目：國家自然科學基金資助項目(60674056);遼寧省教育廳資助項目(05L183)

　　




    摘要：容錯控制為提高系統(tǒng)的可靠性、可維護性和有效性開辟了一條新途徑。文中對容錯控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計作了詳細綜述，簡要敘述了各種方法的優(yōu)點及存在的問題，并探討了容錯控制發(fā)展趨勢。

　　關(guān)鍵詞：容錯控制系統(tǒng);控制器設(shè)計;系統(tǒng)重構(gòu)

　　Abstract: The fault-tolerant control opens a new way for improving the reliability, maintainability and validity of the system. The design of fault controller of the fault control system is demonstrated in this paper. The various means are briefly introduced, and their advantages and disadvantages are analyzed. The development trend of fault control is also discussed.

　　Key words: Fault Tolerant Control System;Design Controller; System reconstruction

　　在實際的控制系統(tǒng)中，通常出現(xiàn)一些無法預料的故障，如傳感器失效、執(zhí)行機構(gòu)中斷等。因此，需設(shè)計一種容錯控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)在傳感器失效或執(zhí)行機構(gòu)中斷時仍能保持正常的控制效果，這種對系統(tǒng)故障具有強魯棒性的控制器，稱之為容錯控制器。

　　容錯控制系統(tǒng)設(shè)計主要包含兩個問題：故障診斷機構(gòu)的設(shè)計和容錯控制器的設(shè)計。本文對容錯控制器的設(shè)計進行了詳細的綜述。

　　容錯控制理論應用十分廣泛，在航空、航天、核電站、工業(yè)機器人及化工等領(lǐng)域的控制系統(tǒng)設(shè)計中均得到了應用與發(fā)展。

　　1 容錯控制器設(shè)計

　　容錯控制器是當系統(tǒng)發(fā)生故障后仍能保證系統(tǒng)穩(wěn)定，并且當故障處理后取得良好效果的控制器。容錯控制器的設(shè)計方法，依具體的系統(tǒng)及故障的不同有很大的差異。下面計論幾種主要的容錯控制器設(shè)計方法.

　　1.1 控制器重構(gòu)設(shè)計

　　控制器重構(gòu)設(shè)計即在確診故障后，在線重組或重構(gòu)控制律。設(shè)計方法有兩種：狀態(tài)反饋控制器重構(gòu)設(shè)計和動態(tài)補償控制器重構(gòu)設(shè)計。控制器重構(gòu)是一個目前很受關(guān)注的研究方法，現(xiàn)有的成果還比較少。文獻[3]采用一個“控制混合器”的概念，設(shè)計了一個具有自修復功能的飛行控制系統(tǒng)。當診斷出某個機翼受損時，可以重新分配其應盡的作用到剩余的執(zhí)行器中去。文獻[4]提出了一種控制器的重新設(shè)計技術(shù)，通過極大化一個頻域的性能指標來重建控制律。文獻[5]給出了一種飛機的模型參考容錯控制方法。針對飛機的元部件故障，該文用檢測濾波器理論設(shè)計了相應的故障檢測器和故障參數(shù)估計器。在此基礎(chǔ)上，用Lyapunov方法設(shè)計了模型參考容錯控制律，保證在發(fā)生內(nèi)部故障時，飛機穩(wěn)定運行。文獻[4]提出了一種分析這類容錯控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的隨機微分方程方法。其主要結(jié)果是，由于隨機微分方程的參數(shù)是隨時間的變化而隨機變化的，因此此方程可以由馬爾可夫過程來描述。

　　1.2 控制器的完整性設(shè)計

　　故障系統(tǒng)的完整性控制器設(shè)計是指設(shè)計同一個魯棒控制器，使得系統(tǒng)在正常系統(tǒng)和故障條件下該控制器都能保持系統(tǒng)穩(wěn)定或獲得良好的控制性能。完整性控制設(shè)計也有稱之為同時穩(wěn)定的控制器設(shè)計問題。

　　在多變量控制系統(tǒng)設(shè)計中，可將系統(tǒng)極點最優(yōu)配置到復平面上的某一理想?yún)^(qū)域，從而使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性。然而在實際應用中，控制對象的參數(shù)常發(fā)生變化，甚至發(fā)生故障，例如：某些執(zhí)行器的失效，可能使系統(tǒng)失去預期的性能指標，在這種情況下即使某些開環(huán)穩(wěn)定的系統(tǒng)，閉環(huán)后也可能失去穩(wěn)定性。如果在部分執(zhí)行器失效時整個系統(tǒng)仍能穩(wěn)定工作，則稱該系統(tǒng)具有完整性。關(guān)于控制系統(tǒng)的完整性設(shè)計問題近年來引起了國內(nèi)外學者的普遍關(guān)注。國內(nèi)專家提出了一種利用Lyapunov方程優(yōu)化配置系統(tǒng)極點的直接方法，使所設(shè)計的系統(tǒng)具有完整性、最優(yōu)性和良好的動態(tài)特性。近年來，分散大系統(tǒng)的完整性問題受到了廣泛關(guān)注。針對執(zhí)行器斷路故障，基于Lyapunov方法得到了分散系統(tǒng)滿足完整性的一個充分條件。由于此條件只是充分條件，因此即使此條件不滿足，也不能肯定完整性控制律不存在。因此，該方法缺乏構(gòu)造性。

　　參數(shù)空間設(shè)計方法是考慮閉環(huán)系統(tǒng)特征多項式參數(shù)在未知區(qū)間獨立變化，其特征根要穩(wěn)定區(qū)域變化的設(shè)計方法。1978年便給出了區(qū)間多項式穩(wěn)定的初步結(jié)果。1985年之后又引入了多項式多面體的概念和邊緣定理，解決了參數(shù)區(qū)間穩(wěn)定性判定問題，線性系統(tǒng)穩(wěn)定設(shè)計方法是將控制系統(tǒng)表達為離散參數(shù)集的多重模型，并根據(jù)各個參數(shù)對應的傳遞關(guān)系構(gòu)造線性全狀態(tài)反饋公共控制器，使其具有離散參數(shù)集合的控制系統(tǒng)穩(wěn)定特征。

　　完整性問題還遠未徹底解決，缺乏有效地求解容錯控制律的構(gòu)造性方法，尤其是對高維多變量系統(tǒng)。

　　1.3 主動的容錯控制方案

　　80年代后期的實際應用發(fā)現(xiàn)，使用故障監(jiān)測與分離裝置的重構(gòu)控制器如果不考慮報警延時和誤報警率，容錯控制系統(tǒng)在控制切換前后難以得到良好的控制性能。針對這個問題，分別研究了跳躍隨機系統(tǒng)的容錯控制問題。為了描述故障發(fā)生引起的參數(shù)跳躍，建立了混合數(shù)學模型，參數(shù)被描述為馬爾可夫隨機過程。基于這個隨機模型，分別在隨機最優(yōu)控制指標和均方漸近收斂指標下，利用動態(tài)規(guī)劃和求解隨機Riccati方程的方法建立了容錯控制。但是，由于引入了參數(shù)隨機過程，容錯控制的求解變得十分復雜。

　　1.4 魯棒容錯控制

　　不管是主動容錯控制，還是被動容錯控制，都需要具有關(guān)于模型不確定性與外界擾動的魯棒性。這是容錯控制可以應用于實際系統(tǒng)的重要前提之一。因此魯棒容錯控制問題近年來受到了高度重視，已成為目前容錯控制領(lǐng)域的熱點研究方向。針對連續(xù)線性定常系統(tǒng)的傳感器失效故障，采用Lyapunov方法給出了一種具有關(guān)于模型不確定性魯棒性的完整性控制器存在的充分條件，并給出了控制器的設(shè)計方法。討論離散線性定常系統(tǒng)的魯棒完整性控制問題，通過求解Riccati方程，分別得到了一種傳感器失效下的魯棒容錯線性調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法，以及執(zhí)行器失效下的魯棒容錯線性調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法。

　　1.5 多模型自適應控制方法

　　Athans得出多模型自適應控制方法，直接利用狀態(tài)估計產(chǎn)生多模型分布棍串，然后利用每一參數(shù)求得LQG最優(yōu)控制分量，在概率分布空間上生成隨機控制輸入。Watanabe對多模型自適應控制算法做了深入的研究，并利用這個方法構(gòu)造了不確定傳感器和執(zhí)行器的多模型遞階自適應容錯控制。但是由于多模型自適應控制算法十分復雜，它的全面穩(wěn)定性分析一直未得到充分的研究結(jié)果。

　　1.6 基于人工智能的容錯控制器設(shè)計

　　當前的控制系統(tǒng)變得越來越復雜，不少情況下要想獲得系統(tǒng)的精確數(shù)學模型是非常困難的，而基于人工智能的方法不需要精確的數(shù)學模型，因此，具有很好的應用前景。人工智能的方法主要有遞階智能，人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊推理。

　　1.7 基于專家系統(tǒng)的容錯控制器設(shè)計

　　在實際的控制系統(tǒng)中執(zhí)行器的故障是多種多樣的，很難找到一種統(tǒng)一的容錯控制規(guī)律，使得控制系統(tǒng)在各種條件(正常或故障)下獲得良好的運行效果。因此，為了對復雜故障系統(tǒng)實施控制，人們利用人工智能的研究成果，發(fā)展基于專家系統(tǒng)的容錯控制設(shè)計方案，并致力于應用在復雜故障控制系統(tǒng)中。該設(shè)計方案的關(guān)鍵問題是知識庫與數(shù)據(jù)庫，知識庫內(nèi)容由實際被控對象的部分先驗知識和故障監(jiān)測器實時檢測的故障信息組成，一般由一些規(guī)則表示;數(shù)據(jù)庫內(nèi)容可以是預先設(shè)定或控制系統(tǒng)運行過程中獲取，它為容錯控制推理提供必要的依據(jù)。

　　1.8 非線性系統(tǒng)的集成故障診斷與容錯控制

　　被動容錯控制均不采用故障檢測和診斷技術(shù)，因此，也就不能提供系統(tǒng)的故障信息。在發(fā)生故障后，與系統(tǒng)正常運行時相比，被動容錯控制系統(tǒng)的性能會有所下降。另外，經(jīng)典的被動容錯控制討論的對象都是線性系統(tǒng)。為了克服上述缺陷，將故障檢測和診斷技術(shù)與被動容錯控制相結(jié)合，提出了一種關(guān)于非線性系統(tǒng)傳感器故障的集成故障診斷與容錯控制方法。此方法的優(yōu)點是：可處理多種傳感器故障，包括：斷路、增益衰減、加性與乘性偏差等，因此，克服了傳統(tǒng)的完整性控制問題只能處理失效故障的缺陷;在發(fā)生故障時，閉環(huán)系統(tǒng)的性能指標幾乎不受影響;適用于一大類(帶隨機噪聲的)非線性系統(tǒng);不管對低維還是高維系統(tǒng)，設(shè)計方法都同樣簡單。

　　2 容錯控制理論的發(fā)展趨勢

　　從以上的總結(jié)可以看到，容錯控制研究領(lǐng)域存在許多問題，解決這些問題即是今后的發(fā)展趨勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

　　研究快速FDI方法。故障檢測和分離造成的時延越短，對控制律的重構(gòu)重建設(shè)計就越有利，過長的時延可能造成系統(tǒng)嚴重的穩(wěn)定性問題，除非原來的基礎(chǔ)控制器本身就具有很高的完整性和很強的魯棒性。

　　研究在線重構(gòu)重建方法。作為主動容錯控制的一種最重要的方法，控制律的在線重建和重構(gòu)成為當前容錯控制領(lǐng)域的熱點研究方向之一。只有在被控對象發(fā)生變化時，實時調(diào)整控制器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，才有可能達到最優(yōu)的控制效果。

　　主動容錯控制中的魯棒性分析與綜合方法。在主動容錯控制中，需要同時做到：基礎(chǔ)控制器具有魯棒性;故障檢測與診斷算法具有魯棒性;重組或重構(gòu)的控制律具有魯棒性。這三個方面的相互作用使得對主動容錯控制的整體魯棒性分析變得非常困難。

　　時滯動態(tài)系統(tǒng)的容錯控制。非線性時滯系統(tǒng)的容錯控制還沒有任何結(jié)果，線性時滯系統(tǒng)容錯控制的結(jié)果非常有限。造成此種現(xiàn)象的一個理論上的原因是，時滯系統(tǒng)的故障檢測和識別問題還沒有得到解決。但時滯動態(tài)系統(tǒng)的容錯控制又是一個非常重要的理論問題，并具有很高的應用價值，這是因為許多實際系統(tǒng)均具有時滯。

　　高維、時變多變量系統(tǒng)的完整性控制問題。此問題目前還沒有任何結(jié)果，經(jīng)典的完整性問題研究的對象都是線性定常系統(tǒng)。

　　隨機系統(tǒng)的容錯控制問題。

　　3 結(jié)束語

　　容錯控制是一項涉及人工智能、計算機科學、自動化科學及相關(guān)生產(chǎn)領(lǐng)城等多個學科綜合領(lǐng)域的技術(shù)集成，它的研究和應用，不僅將有效地提高相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)城的自動化水平。促進工業(yè)儀表與自動化裝置的技術(shù)進步，同時，也將為控制理論與人工智能等學科的結(jié)合，提供新的生長點。

　　實現(xiàn)容錯控制是提高動態(tài)系統(tǒng)可靠性的有效手段。近年來關(guān)于動態(tài)系統(tǒng)的容錯控制研究在理論上已漸趨完善并已得到了實際應用。但總的來講其研究處于起步階段，尚未形成較完整的理論體系，有待研究的問題還很多。關(guān)于容錯控制系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和魯棒性的分析研究結(jié)果非常有限。未來的研究將以容錯控制系統(tǒng)的綜合與分析為主，有關(guān)時變系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的容錯控制器的設(shè)計也將是今后的主要研究方向。

　　其他作者：張健(1963-)，男，博士，教授，現(xiàn)任遼寧工業(yè)大學電子與信息學院院長。王立紅(1971-)，女，遼寧遼陽人，副教授，就職于遼寧工業(yè)大學自動化教研室。王猛(1983-)，男，遼寧營口人，遼寧工業(yè)大學在讀研究生，研究方向為智能控制。

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