容错控制理论及其应用

第26卷　第6期 2000年11月 自　动　化　学　报 ACTA AUT OMAT ICA SINICA Vo l. 26, No . 6 Nov . , 2000 1)国家自然科学基金、“八六三” 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 与教育部资助项目. 收稿日期　1999-03-08　　收修改稿日期　1999-10-11 综述 容错控制理论及其应用1) 周东华 (清华大学自动化系　北京　100084)　 Ding X ( Lausit z 大学电气工程系　德国) ( E-mail: ZDH@m ail . au. t sin ghua. edu . cn) 摘　要　介绍了经典容错控制的主要研究成果及近年来发展起来的鲁棒容错控制和非线性 系统的故障诊断与容错控制 , 并给出了容错控制的一些典型应用成果.最后,指出了该领域 亟待解决的一些热点与难点问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 . 关键词　动态系统, 容错控制,故障诊断, 集成,鲁棒性. THEORY AND APPLICATIONSOF FAULT TOLERANT CONTROL ZHOU Donghua ( Dep t. of A utomation, Tsinghua Univer si ty, Beij ing 100084) DING X ( Dep t . of EE, Lausitz Univ . , Germany) Abstract　A survey of fault tolerant cont rol for dynamic syst ems is present ed. T he main result s in classical fault tolerant cont rol are f irs tly int roduced. T hen, empha- sis is put on the robust fault tolerant control as well as the fault diagnos is and f ault tolerant control of nonlinear sys tems developed in recent years. Some typical appli- cation result s of fault t olerant cont rol are discussed, and finally , some open ques- tions are pointed out . Key words　Dynamic syst ems , fault t olerant cont rol, fault diagnosis, int egrat ion, robustness. 1　引言 现代系统正朝着大规模、复杂化的方向发展, 这类系统一旦发生事故就有可能造成 人员和财产的巨大损失. 如1998年8月到1999年5月的短短 的10个月间, 美国的3种运载 火箭“大力神”、“雅典娜”、“德尔他”共发生了5次发射失败, 造成了30多亿美元的直接经 济损失, 迫使美国航天局于1999年5月下令停止了所有的商业发射计划, 对美国的航天 计划造成了严重的打击. 因此,人们迫切需要提高现代系统的可靠性与安全性. 基于解 析冗余的动态系统的故障诊断与容错控制则为提高复杂系统的可靠性开辟了一条新的途 径. 动态系统的容错控制( Faul t T olerant Control , FTC)是伴随着基于解析冗余的故障 诊断技术的发展而发展起来的.如果在执行器、传感器或元部件发生故障时,闭环控制系 统仍然是稳定的,并仍然具有较理想的特性, 就称此闭环控制系统为容错控制系统 [ 1] . 1991年,瑞典的 Astrom 教授明确指出容错控制具有使系统的反馈对故障不敏感的作用. 容错控制方法一般可以分成两大类,即被动容错控制( passiv e FT C)和主动容错控制( ac- tiv e FT C) . 容错控制的思想最早可以追溯到1971年, 以 Niederlinski 提出完整性控制( integral cont rol )的新概念为标志[ 2] ; Sil jak [ 3]于1980年发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的关于可靠镇定的文章是最早开始专 门研究容错控制的文章之一.然而,直到1993年,国际上才出现了由现任 IFAC 技术过程 的故障诊断与安全性专业委员会主席 Pat ton教授撰写的容错控制的综述文章 [ 1, 4] , 目前 尚未见到国外有容错控制的专著问世.值得指出的是,我国在容错控制理论上的研究基本 上与国外同步. 1987年叶银忠等就发表了容错控制的 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ,并于次年发表了这方面的第一 篇综述文章[ 5] . 1994年葛建华等出版了我国第一本容错控制的学术专著[ 5] .国内发表的这 方面的综述文章还有文[ 6] . 动态系统的故障检测与诊断( Fault Detect ion and Diagnosis, FDD)是容错控制的重 要支撑技术之一. FDD技术的发展已大大超前于容错控制的发展,其理论与应用成果也 远远多于容错控制方面的成果. 目前国际上每年发表的有关 FDD方面的论文与 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 在数 千篇以上. 基于解析冗余的故障诊断技术被公认为起源于 Bear d 在1971年发表的博士论 文[ 7] . 1976年, W ill sky 在 Automat ica 上发表了第一篇 FDD方面的综述文章 [ 8] . Him- melblau 于1978年出版了国际上第一本 FDD方面的学术著作 [ 9] . 随后报导的这方面的重 要综述文章与著作参见文[ 10～16] . 我国开始 FDD 技术的研究要比国外晚十年左右. 清华大学的方崇智教授等从1983 年起开始了 FDD技术的研究工作. 1985年叶银忠等在《信息与控制》上发表了国内第一篇 FDD技术的综述文章[ 17] . 1994年周东华等在清华大学出版社出版了国内第一本 FDD 技 术的学术专著 [ 18] . 随后几年出版的学术著作还有文[ 19] 和文[ 20] . 国际自动控制界对容错控制的发展给予了高度重视. 1986年9月在美国 Santa Clara 大学举行的自动控制高峰会议上, 把多变量鲁棒、自适应和容错控制列为控制科学面临 的富有挑战性的研究课题[ 21] . 在国际上,领导着容错控制学科发展的是1993年成立的 I- FAC 技术过程的故障诊断与安全性技术委员会.从1991年起 IFAC 每三年定期召开 FDD 与 FT C方面的国际专题学术会议. 在近几届的 IFAC 世界大会上, FDD与 FT C方面的论 文在不断增加. 据笔者统计, 1999年7月在北京召开的第14届 IFAC 世界大会上,这方面 的学术论文已达60篇, 成为了最热门的几个研究方向之一 [ 22～26] . 容错控制发展至今只有20年左右的历史,因此这是一门新兴交叉学科.促使这门学科 789　6 期 周东华等: 容错控制理论及其应用 迅速发展的一个最重要的动力来源于航空航天领域. 美国空军从70年代起就不断投入巨 资支持容错控制的发展,力求开发出具有高度容错能力的战斗机,甚至在多个翼面受损 时,也能够保持战斗机的生存能力. 做为一门交叉性学科, 容错控制与鲁棒控制、故障检测与诊断、自适应控制、智能控 制等有密切的联系.现代控制理论、信号处理、模式识别、最优化方法、决策论、统计数学等 构成了容错控制的理论基础. 2　经典容错控制方法 2. 1　被动容错控制 被动容错控制大致可以分成可靠镇定,完整性, 联立镇定三种类型. 2. 1. 1　可靠镇定 使用多个补偿器进行可靠镇定的概念是由 Siljak 于1980年最先提出的[ 3] , 随后一些 学者又对其进行了深入研究[ 29～33] . 可靠镇定实际上是关于控制器的容错问题. 针对单个 被控对象,文[ 29] 证明了当采用两个补偿器时, 存在可靠镇定解的充要条件是被控对象 是强可镇定的( st rongly stabilizable) ,即此对象可以被稳定的控制器所镇定. 然而, 当被 控对象不满足强可镇定条件时, 补偿器就会出现不稳定的极点,受过程噪声的影响,闭环 系统就会出现不稳定. 文[ 29]方法的另外一个缺点是, 即使可靠镇定问题是可解的,怎样 设计这两个补偿器也是一个非常困难的问题. 文[ 31]部分解决了上述问题, 给出了设计两个动态补偿器的参数化方法, 以得到可 靠镇定问题的解. 此文还给出了把一个稳定的控制器分解成两个并联的动态补尝器,进而 实现可靠镇定问题的有效方法, 其前提仍然是被控对象必须是强可镇定的.文[ 32]进一步 给出了一个新颖的可靠镇定问题的求解方法,即使对不是强可镇定的多变量系统依然有 效, 其设计思路是采用多个并列的动态补偿器(可大于两个) .与传统方法不同的是,这里 每个补偿器需要其它补偿器的输出信号,因此就需要辅助的传感器来观测其它执行器的 运行状况[ 32] . 综上所述,可靠镇定问题已基本上趋于成熟. 2. 1. 2　完整性 完整性问题也称作完整性控制( integral cont ro l) , 它一直是被动容错控制中的热点 研究问题.此问题之所以有很高的应用价值,是因为控制系统中传感器是最容易发生故障 的部件.此问题研究的一般都是 M IMO线性定常系统 [ 34～39] .文[ 35]研究了关于执行器断 路故障的完整性问题, 提出了求解静态反馈增益阵的一种简单的伪逆方法. 然而, 该方法 并不能保证故障状态下的闭环系统是稳定的.基于 n-线性特征系数理论及参数空间设计 方法, 文[ 37]给出了关于执行器断路故障的完整性问题的求解方法.该方法的一个特点 是可以在实现完整性的同时, 在执行器的各种故障下, 都可以将系统的闭环极点配置在 预定的区域内. 因此,此方法在满足容错控制的条件下还可以兼顾闭环系统的动态特性. 该方法的一个缺陷是, 当系统的维数大于 3时, 解析解就不再存在, 只能采用 CAD技术 来求数值解, 并可能无解. 此外, 近年来分散大系统的完整性问题也受到了广泛关 注[ 38 , 39] . 790 自　　动　　化　　学　　报 26 卷 由此可见, 完整性问题还远未彻底解决.缺乏有效地求解容错控制律的构造性方法, 尤其是对高维多变量系统. 2. 1. 3　联立镇定 联立镇定有两个主要作用. 其一, 当被控对象发生故障时, 可以使其仍然保持稳定, 具有容错控制的功能; 其二,对非线性对象,经常采用线性控制方法在某一工作点上对其 进行控制.当工作点变动时,对应的线性模型也会发生变化.此时, 具有联立镇定能力的控 制器就仍然可以镇定被控对象. 此问题十几年来已引起了许多学者的关注[ 40～44] . 1982年发表在 IEEE AC 上的文 [ 41]是最早开始 研究联立镇定问题的文章之一. 文[ 43]在此方向上取得了重要进展. 基 于广义的采样数据保持函数, 该文得到了如下结果: a) 给出了联立镇定问题有解的充分 条件, 及其控制律的构造方法; b) 给出了在满足联立镇定的基础上同时实现线性二次型 最优控制的充分条件, 以及相应的控制律的构造方法. 2. 2　主动容错控制 主动容错控制在故障发生后需要重新调整控制器的参数,也可能需要改变控制器的 结构.多数主动容错控制需要 FDD子系统, 少部分不需要 FDD 子系统, 但需要已知各种 故障的先验知识.主动容错控制这一概念正是来源于需要对发生的故障进行主动处理这 一事实.众多的 FDD方法可以分成基于定性模型的方法与定量模型的方法两大类.经过 近30年的发展, FDD技术已日趋成熟,所提出的各种方法详见文[ 7～20, 23～28] . 主动容 错控制大致可以分成三大类: 1) 控制律重新调度; 2) 控制器重构设计; 3) 模型跟随重组 控制. 2. 2. 1　控制律重新调度 这是一类最简单的也是最近几年才发展起来的主动容错控制方法. 其基本思想是离 线计算出各种故障下所需的合适的控制律的增益参数,并列表储存在计算机中.当基于在 线 FDD技术得到了最新的故障信息后, 就可以挑选出一个合适的增益参数, 得到容错 控制律 [ 45～49] . 显然, 采用实时专家系统进行增益调度将会产生很好的效果. 这类控制方 法特别适合于具有多个冗余机翼的战斗机的容错控制[ 4, 45] . 2. 2. 2　控制律重构设计 在 FDD单元确诊故障后, 在线重组或重构控制律.这是一个目前很受关注的研究方 向,现有的成果还比较少 [ 1, 50～54 ] . 文[ 51]采用“控制混合器”的概念, 设计了一个具有自 修复功能的飞行控制系统, 当诊断出某个机翼受损时,可以重新分配其应尽的作用到剩余 的执行器中去.该文还提出了一种控制器的重新设计技术,通过极大化一个频域的性能指 标,来重建控制律. 文[ 54]给出了一种飞机的模型参考容错控制方法,针对飞机的元部件 故障,该文用检测滤波器理论设计了相应的故障检测器和故障参数估计器. 在此基础上, 用 Lyapunov 方法设计了模型参考容错控制律, 保证在发生内部故障时, 飞机稳定运行. 该文还提出了一种分析这类容错控制系统稳定性的随机微分方程方法. 其主要结果是,由 于随机微分方程的参数是随时间的变化而随机变化的,所以此方程可以由马尔可夫过程 来描述. 文[ 55]提出了一种基于实时专家系统的容错监督控制方法. 其基本思想是, 采 用基于影响图的实时专家系统监督系统的运行. 系统正常运行时, 采用模型参考学习自 适应控制律, 以提高控制精度; 当检测到系统已处于不稳定的边沿时, 将控制律实时切 791　6 期 周东华等: 容错控制理论及其应用 换到一种简单的 PI 控制器, 仍然使系统保持稳定. 2. 2. 3　模型跟随重组控制 这类主动容错控制的基本原理是,采用模型参考自适应控制的思想,使得被控过程的 输出始终自适应地跟踪参考模型的输出,而不管是否发生了故障.因此, 这种容错控制不 需要FDD 单元.当发生故障后,实际被控过程会随之发生变动,控制律就会相应地自适应 地进行重组, 保持被控对象对参考模型输出的跟踪 [ 56～58] . 可以看出,这类容错控制是采用 隐含的方法来处理故障的. 文[ 59]进一步提出了一种基于模糊学习系统的专家监督控制方法, 用于 F16战斗机 的容错控制. 其基本控制器是由参考模型、模糊控制器及模糊学习模块构成的, 称为模 糊模型参考学习控制器. 模糊学习模块使这一控制器具有上述模型跟随重组控制的基本 功能. 在此基础上, 通过与一个 FDI 模块相结合, 可以在线选择合适的参考模型和模糊 控制器的输出增益, 进一步提高了容错控制能力. 因此, 该方法也可以看成是模型跟随 重组控制与控制律重构设计的一种有机结合. 3　鲁棒容错控制 不管是主动容错控制, 还是被动容错控制, 都需要具有关于模型不确定性与外界扰动 的鲁棒性.被动容错控制的核心就是鲁棒性, 以使闭环系统对各类故障不敏感.目前主动 容错控制面临的两个具有挑战性的问题就是[ 58] : 1) 基本控制器应具有鲁棒性,在控制律 重构期间使系统保持稳定; 2) FDD 单元应具有鲁棒性,以减少误报与漏报, 减少故障检 测时间.因此,鲁棒容错控制问题近年来受到了高度重视 [ 1, 60～63] , 已成为目前容错控制领 域的热点研究方向. 针对连续线性定常系统的传感器失效故障,文[ 60]采用 Lyapunov 方法给出了一种 具有关于模型不确定性鲁棒性的完整性控制器存在的充分条件, 并给出了控制器的设计 方法. 文[ 61]讨论了离散线性定常系统的鲁棒完整性控制问题, 通过求解 Riccat i方程, 分别得到了一种传感器失效下的鲁棒容错线性调节器的设计方法,以及执行器失效下的 鲁棒容错线性调节器的设计方法.文[ 62]进一步探讨了离散系统的 D 稳定鲁棒完整性控 制问题.所谓的 D 稳定就是闭环系统的极点都要位于圆形区 D (�, r )内.该文给出了关于 传感器失效故障的存在 D 稳定鲁棒完整性控制的充分条件,以及控制律的求解方法. 尚 待进行的工作是, 对高维系统,上述文章所给出的设计方法有待改进,以提高设计效率. 4　非线性系统的故障诊断与容错控制 由上面的分析可知,被动容错控制均不采用 FDD 技术,因此也就不能提供系统的故 障信息.在发生故障后, 与系统正常运行时相比, 被动容错控制系统的性能(至少是动态 性能)会有所下降.另外,经典的被动容错控制讨论的对象都是线性系统. 为了克服上述缺陷,文[ 64, 65]将 FDD技术与被动容错控制相结合,提出了一种关于 非线性系统传感器故障的集成故障诊断与容错控制方法. 此方法的优点是: 1) 可处理多 种传感器故障,包括断路、增益衰减、加性与乘性偏差等, 因此克服了传统的完整性控制问 792 自　　动　　化　　学　　报 26 卷 题只能处理失效故障的缺陷; 2) 在发生故障时,闭环系统的性能指标几乎不受影响; 3) 适用于一大类(带随机噪声的)非线性系统; 4) 不管对低维还是高维系统, 设计方法都同 样简单[ 18, 66] . 此外,文[ 27]采用非线性状态空间模型,提出了一种关于都市交通网络系统的容错控 制方法,在系统发生某些故障时,可以保持系统的稳定;文[ 67]提出了一种基于预测控制 的执行器容错控制方法,并用某一飞机操纵系统的模型进行了仿真研究;文[ 68]给出了一 种基于自适应神经元网络的非线性系统的容错控制方法,通过采用一个辅助的回路,来补 偿系统中较大的输入输出扰动. 5　容错控制理论的应用成果 尽管容错控制理论不像 FDD技术那样已经在众多的领域取得了大量应用成果, 但仍 然取得了一些重要的应用成果, 由表1列出. 表1　容错控制典型应用实例一览表 序号 应用对象 采用方法 发表时间 文献 1 航天飞机 控制律重构设计 1982 [ 74] 2 飞机 模型跟随重组控制 1988, 1988 [ 69, 70] 控制律重构设计 1985, 1988, 1995, 1998 [ 52, 77] [ 78] 控制律重新调度 1989 [ 45] 3 核反应堆 控制律重构设计 1991, 1995 [ 71, 72] 4 液位系统 完整性控制 1991 [ 73] 5 国产歼击机 模型跟随重组控制 1991 [ 53] 6 地空导弹 模型跟随重组控制 1993 [ 75] 7 精馏塔 控制律重构设计 1994 [ 76] 8 人造卫星 控制律重构设计 1997 [ 79] 9 液体冷却系统 控制律重构设计 1997 [ 79] 10 化学反应釜 集成故障诊断与容错控制 1998 [ 65] 表1表明,容错控制取得应用成果最多的对象是飞机;主动容错控制的应用成果要远 远多于被动容错控制所取得的成果, 其中控制律重构设计方法应用得最多.这些应用成果 的分布情况也从一个侧面验证了 Pat ton 教授的一个著名论断(见文[ 4] , pp. 1050) , 即 “离开了 FDD单元,容错控制所能发挥的作用就会非常有限,只能对一些特殊类型的故障 起到容错的作用”.因此可以肯定,主动容错控制在总体上要优于被动容错控制. 6　结束语 容错控制做为一门新兴的交叉学科,其学科意义就是要尽量保证动态系统在发生故 障时仍然可以稳定运行,并具有可以接受的性能指标. 因此,容错控制为提高复杂动态系 统的可靠性开辟了一条新的途径. 由于任何系统都不可避免地会发生故障, 因此, 容错 控制也可以看成为是保证系统安全运行的最后一道防线. 除第3节介绍的鲁棒容错控制以外,当前容错控制中的热点问题还有以下一些. 793　6 期 周东华等: 容错控制理论及其应用 1)快速 FDI 方法的研究.故障检测与分离都需要一定时间,造成了一定的时延,这段 时延越短,对控制律的重构设计就越有利. 这段时延有可能会产生非常严重的稳定性问 题,除非原来的基础控制器本身就具有很高的完整性和很强的鲁棒性[ 4] . 2)鲁棒故障检测与鲁棒控制的集成设计问题.鲁棒故障检测的目标是, 在一定的模 型不确定性下,检测出尽可能小的故障;鲁棒控制的目标是使得控制器对模型不确定性与 微小的故障不敏感.因此,这两者存在着矛盾,而它们都是鲁棒容错控制的基本问题.所以 说,把鲁棒故障检测与鲁棒控制进行统一设计, 把上面的两种目标进行折衷,已成为热点 研究课题[ 24] . 3)控制律的在线重组与重构方法.做为主动容错控制的一种最重要的方法,控制律的 在线重组与重构已成为当前容错控制领域的热点研究方向之一. 只有在被控对象发生变 动时,实时调整控制器的结构与参数,才有可能达到最优的控制效果[ 56～58] . 4)　主动容错控制中的鲁棒性分析与综合方法. 在主动容错控制中,需要同时做到: a) 基础控制器具有鲁棒性, b) 故障检测与诊断算法具有鲁棒性, c) 重组或重建的控制律 具有鲁棒性.这三个方面的相互作用使得对主动容错控制的整体鲁棒性分析变得非常困 难[ 4] . 除了上述热点研究方向以外,因现有的理论结果还非常有限, 容错控制领域还有一些 难点问题. 1)　非线性系统的容错控制. 这里的主要难点是: a) 对非线性系统缺乏一般性的控 制器综合方法; b) 非线性系统的 FDD问题还没有得到完全解决. 2)　时滞动态系统的容错控制. 非线性时滞系统的容错控制还没有任何结果,线性时 滞系统容错控制的结果还非常有限. 3)　高维、时变多变量系统的完整性控制问题.此问题目前还没有任何结果, 经典的 完整性问题研究的对象都是线性定常系统. 4)　自适应容错控制问题. 其学术上的难点是,自适应控制系统是本质非线性系统, 因此自适应容错控制属于非线性容错控制的范畴.此问题也还没有任何结果. 经过20多年的发展,容错控制已经取得了很大的进展, 并正处于快速发展之中.但容 错控制还远未成熟,还没有建立起完整的理论体系, 尤其在应用方面还有许多问题有待解 决,还需要大家继续努力,可谓任重而道远. 参 考 文 献 1　Pat ton R J . 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