1、.,容錯控制及應(yīng)用 fault-tolerance control&application,專業(yè)：檢測技術(shù)與自動化裝置 姓名：邢 碩 學(xué)號：20100271,.,主要內(nèi)容,概述 容錯控制分類 容錯控制設(shè)計的主要方法 容錯控制的應(yīng)用 容錯控制存在的問題和發(fā)展展望,.,概述,1.1 引言 隨著工業(yè)過程越來越趨向于大型化和復(fù)雜化，以及大規(guī)模高水平的綜合自動化系統(tǒng)的出現(xiàn)，對控制質(zhì)量的要求日趨突出，切實保障現(xiàn)代復(fù)雜過程的可靠性與安全性，具有十分重要的意義。 1.2 概念 容錯控制（fault-tolerance control）的概念是1986年9月正式提出的。容錯的指導(dǎo)思想是：一個控制系統(tǒng)遲早會發(fā)生故

2、障，因此在設(shè)計控制系統(tǒng)時就應(yīng)該考慮會發(fā)生故障和這種故障可能會對系統(tǒng)的性能有很大的影響。,.,容錯控制系統(tǒng)（fault-tolerance control system）是在元部件（或分系統(tǒng)）出現(xiàn)故障時仍具有完成基本功能能力的系統(tǒng)，其科學(xué)意義就是要盡量保證動態(tài)系統(tǒng)在發(fā)生故障時仍然可以穩(wěn)定運(yùn)行，并具有可以接受的性能指標(biāo)。,.,容錯控制分類,容錯控制可以從不同的角度分類 按系統(tǒng)：線性系統(tǒng)容錯控制和非線性系統(tǒng)容錯控 制 按克服故障部件：執(zhí)行器、傳感器、控制器故障 容錯控制 按設(shè)計方法特點(diǎn)：被動容錯控制、主動容錯控制,.,被動容錯控制 其是設(shè)計適當(dāng)固定結(jié)構(gòu)的控制器，該控制器除了考慮正常工作狀態(tài)的參數(shù)值以

3、外，還要考慮在故障情況下的參數(shù)值。 被動容錯控制是在故障發(fā)生前和發(fā)生后使用同樣的控制策略，不進(jìn)行調(diào)節(jié)。 被動容錯控制包括：同時鎮(zhèn)定，完整性控制，魯棒性容錯控制，即可靠控制等幾種類型。 主動容錯控制 主動容錯控制是在故障發(fā)生后需要從新調(diào)整控制器參數(shù)，也可能改變控制器結(jié)構(gòu)。 主動容錯控制包括：控制器重構(gòu)，基于自適應(yīng)控制的主動容錯控制，智能容錯控制器設(shè)計的方法。,.,容錯控制設(shè)計的主要方法,容錯控制器的設(shè)計方法有硬件冗余方法和解析冗余方法兩大類。 3.1 基于硬件結(jié)構(gòu)上的考慮 對于某些子系統(tǒng)可以采用雙重或更高重備份的方法來提高系統(tǒng)的可靠性。只要能建立起冗余的信號通道，這種方式可用于對任何硬件環(huán)節(jié)失效

4、的容錯控制。 從設(shè)計原則著眼，又可分為下列幾種：,.,3.1.1 靜態(tài)硬件冗余 例如設(shè)置三個單元執(zhí)行同一項任務(wù)，把他的處理結(jié)果，如被控變量相互比較，按多數(shù)原則（三中去二）確定判斷和確定結(jié)構(gòu)值。 3.1.2 動態(tài)硬件冗余 如果某臺在干預(yù)范圍內(nèi)的裝置出錯，就將候補(bǔ)裝置切換上去，由他接替前者工作。,.,3.2 基于解析冗余上的考慮 與“硬件冗余”相對的是“軟件冗余”，軟件冗余又可分為解析冗余、功能冗余和參數(shù)冗余三種，他是利用系統(tǒng)中不同部件在功能上的冗余性，通過估計，以實現(xiàn)故障容錯。 通過估計技術(shù)或其他軟件算法來實現(xiàn)控制系統(tǒng)容錯性具有性能好、功能強(qiáng)、成本低和易實現(xiàn)等特點(diǎn)。 3.2.1 控制器重構(gòu) 重構(gòu)

5、的原則是使重構(gòu)后的系統(tǒng)在性能上盡量接近原系統(tǒng)，或者即使系統(tǒng)性能有所降低，也能保證系統(tǒng)的最低性能要求，如穩(wěn)定性等。,.,利用測量之間或控制之間的依賴關(guān)系 設(shè)有如下系統(tǒng) 式中，CRmn；ARnn；BRnr 在第i個傳感器失效后（C矩陣的第i行變?yōu)榱悖?有輸出 式中，Cf是C去掉第i行所得到的矩陣； yf是y去掉yi后得到的矢量。,.,設(shè)第i個傳感器和其他傳感器輸出有線性依賴關(guān)系 即 所以可以從m-1維的輸出yf綜合出m維的輸出 使重構(gòu)系統(tǒng)的特性結(jié)構(gòu)盡可能接近原系統(tǒng)的特征結(jié)構(gòu) Velle討論了狀態(tài)反饋系統(tǒng)執(zhí)行器中斷時，狀態(tài)反饋矩陣的重構(gòu)問題。其基本思想是重新計算狀態(tài)反饋矩陣，使閉環(huán)反饋系統(tǒng)在正常條件

6、和故障發(fā)生后的特征值和特征矢量盡可能接近，設(shè) 和Vi是閉環(huán)系統(tǒng)正常狀態(tài)下的特征值和特征矢量，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，希望尋找新的反饋矩陣 ，,.,使得故障反饋系統(tǒng)的特征值 和特征向量 滿足 兩個條件： 基于系統(tǒng)特征值和特征矢量配置方法，即可得到上 述反饋矩陣Kf的計算公式。,.,3.2.2 完整性控制器設(shè)計 完整性指的是當(dāng)控制系統(tǒng)中有一個或多個部件失效時，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定性的性質(zhì)。 時域設(shè)計方法 在被控對象是漸進(jìn)穩(wěn)定的假設(shè)中，以用lyapunov矩陣方程的半正定解來構(gòu)造對執(zhí)行器失效具有高度完整性的控制律。 考慮線性可控系統(tǒng) A的特征值均在左半平面，則狀態(tài)反饋控制律,.,對于任意Ll可保證系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定

7、。其中，P滿足方程 若Q0，則（A，Q1/2）是可觀測的。 第i個執(zhí)行器正常 第i個執(zhí)行器故障,.,參數(shù)空間設(shè)計法 設(shè)單輸入系統(tǒng) 首先在s平面上為閉環(huán)系統(tǒng)的特征值確定一個允許的區(qū)域，將s平面上的域映射到參數(shù)空間U中，可得P,即 設(shè)有控制律 u=-KTx KT=(k1,.,kn),.,將P映射到V參數(shù)空間上可得K=K|使PP的K 顯然 其設(shè)計思想是，當(dāng)系統(tǒng)有傳感器失效時，必然使一些狀態(tài)成為不可測狀態(tài)，即使一些 。選擇k1,.,kn的取值范圍，使得某些ki由正常值變0后，K=k1,.,0,.,kn依然處在K上。,.,.,3.3.3 基于自適應(yīng)估計的容錯控制器設(shè)計 多模型自適應(yīng)控制就是要給定的m+1

8、個狀態(tài)空間模型中，在線的選取一個與對象實際特性最接近的模型，并據(jù)此設(shè)計控制器。實際上就是m+1個單模型設(shè)計的問題，關(guān)鍵是正確選擇模型。 考慮系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障有m種，則可以做如下假設(shè)：,.,當(dāng)Wi(k)和Vi(k)是互不相關(guān)的高斯噪聲時，基于上述模型可設(shè)計m+1個卡爾曼濾波器，根據(jù)這些濾波器的估計值，可計算條件概率 分別設(shè)計m+1個相應(yīng)穩(wěn)定的LQG調(diào)節(jié)器，設(shè)每個調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為ui(k),則多模型自適應(yīng)控制律為,.,多模型自適應(yīng)控制器的 結(jié)構(gòu)如右圖： 每個LQG調(diào)節(jié)器有實際 的控制信號和輸出測量值所 驅(qū)動，輸出與相應(yīng)模型匹配 的殘差矢量和控制信號，分 別計算PrHi/Zk和控制信 號u(k)

9、。其穩(wěn)定條件是 Eri(k)sEjri(k)(ij) 此時條件概率PrHi/Zk趨于 1，即系統(tǒng)穩(wěn)定。,.,3.3.4 基于人工智能的容錯控制 基于專家系統(tǒng)的容錯控制,.,基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的容錯控制 由于專家系統(tǒng)的容錯控制雖然可處理不精確的 知識，但也只能解決與事先存儲好的、有專家經(jīng)驗 總結(jié)出來的故障現(xiàn)象與處理方法相對應(yīng)的問題，當(dāng) 遇到新情況、新問題時就無能為力了。由于神經(jīng)元 網(wǎng)絡(luò)控制器在結(jié)構(gòu)上的功能冗余性，人們引入了神 經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行容錯控制器設(shè)計。但由于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) 理論研究本身還很不完善（如魯棒性差、結(jié)果不確 定、影響不明確等），這方面的研究還很困難。,.,容錯控制的應(yīng)用,如下圖所示為某130

10、t/h煤粉爐的容錯控制系統(tǒng),.,控制系統(tǒng)的輸入設(shè)備由傳感器組、配電器和A/D模塊組 成。由于控制系統(tǒng)所需要采集的信號都是表征受控系統(tǒng)狀 態(tài)的重要參數(shù)，因此該設(shè)計采用的都是三重余度布置，應(yīng) 用比較法，可以檢測傳感器通道故障，并自動隔離、報警。 控制系統(tǒng)的輸出設(shè)備由一系列執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。由于大 部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如風(fēng)門等，無法有效隔離，因此對于每一 個執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元未進(jìn)行冗余布置。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的檢測主要依靠測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信 號和控制器輸出信號，然后進(jìn)行比較，同時輔以執(zhí)行機(jī)構(gòu) 動作影響的參數(shù)變化信號。以給粉機(jī)速度控制為例，調(diào)整 機(jī)構(gòu)的故障主信號是給粉機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信號，輔助信號是 爐內(nèi)燃燒溫度。,.,由

11、于工控機(jī)和PLC的可靠性都已達(dá)到控制系統(tǒng)的要求(連 續(xù)無故障工作時間長達(dá)105h)，另一方面由于程序執(zhí)行的獨(dú) 立性，因此沒有設(shè)計雙機(jī)熱備份系統(tǒng)，而采用了冷備份系統(tǒng)。 上位機(jī)和下位機(jī)各有相對獨(dú)立的兩套控制器。上位機(jī)控 制器的控制算法比較復(fù)雜，具有自適應(yīng)和優(yōu)化等功能，而下 位機(jī)控制器的控制算法則比較簡單。故障監(jiān)控系統(tǒng)在上位機(jī) 運(yùn)行。一般情況由上位機(jī)控制器輸出，當(dāng)上位機(jī)控制器異常 時，轉(zhuǎn)由下位機(jī)控制器輸出。,.,容錯控制存在的問題和發(fā)展展望,4.1 存在的問題 非線性系統(tǒng)的容錯控制 受到非線性系統(tǒng)自身的理論限制，非線性容錯的結(jié)果非 常有限，因為非線性系統(tǒng)缺乏一般的控制器綜合方法，非線 性系統(tǒng)的FDI

12、問題也不成熟。 自適應(yīng)容錯控制 因為自適應(yīng)系統(tǒng)的本質(zhì)是非線性系統(tǒng)，涉及辨識和FDI 以及參數(shù)調(diào)度重構(gòu)等問題，故其屬于非線性容錯控制范疇。 高維、時變、時滯多變量系統(tǒng)的容錯控制 目前的完整性問題研究的對象都是線性定常系統(tǒng)，對于 高維時變系統(tǒng)還沒有很好的結(jié)果。,.,4.2 發(fā)展展望 研究快速FDI方法 研究魯棒FDI與魯棒控制的集成設(shè)計方法 研究在線重構(gòu)重建方法 研究主動容錯控制中的魯棒性分析與綜合方法,.,討論,故障診斷和容錯控制的關(guān)系 故障診斷是故障監(jiān)測系統(tǒng)對控制系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器 和被控對象進(jìn)行實時故障監(jiān)測，得出控制系統(tǒng)的故障特征。 容錯控制則是容錯控制器根據(jù)故障監(jiān)測系統(tǒng)所得到的故障特

13、征作出相應(yīng)的處理。這種處理可能要對反饋控制的結(jié)構(gòu)實時 重構(gòu)（real-time reconfiguration），重構(gòu)可能簡單到只 從已計算的表中就可讀出一組新的控制增益，也可能復(fù)雜到 實時地再設(shè)計控制系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)在故障狀態(tài)下仍能獲得 良好的控制效果。由此可見，不論是故障診斷，還是容錯控 制，其目的都是為了提高系統(tǒng)的可靠性，因此控制系統(tǒng)故障 診斷和容錯控制是密切地聯(lián)系在一起的。,.,針對應(yīng)用實例可知，控制系統(tǒng)是以控制器為核心的人工系統(tǒng)，那么控制器可能出現(xiàn)的主要故障有哪些呢？ 控制器硬件的容錯、控制軟件的容錯、控制算 法的容錯,.,參考文獻(xiàn),1俞金壽.工業(yè)過程先進(jìn)控制技術(shù)M.上海：華東 理工大學(xué)出版社，2008. 2王福利，張穎偉.容錯控制M.東北大學(xué)出版 社，2003. 3李明，徐向東.用容錯技術(shù)提高鍋爐控制系統(tǒng)的 可靠性J.清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）1999， 3（24）:54-60.,.,謝謝大家！,.,控制算法是控制系統(tǒng)工作的保證，如果算法出了問題，控制系統(tǒng)就 會出現(xiàn)誤操作。為了取得滿意的控制效果，控制算法一般都比較復(fù)雜， 有些甚至采用了自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)算法，因此難以通