容錯(cuò)控制及應(yīng)用

fault-tolerancecontrol&application專業(yè)：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置姓名：邢碩學(xué)號(hào)：20100271.容錯(cuò)控制及應(yīng)用

fault-tolerancecontro1主要內(nèi)容概述容錯(cuò)控制分類容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)的主要方法容錯(cuò)控制的應(yīng)用容錯(cuò)控制存在的問(wèn)題和發(fā)展展望.主要內(nèi)容概述.2概述1.1引言隨著工業(yè)過(guò)程越來(lái)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(dòng)化系統(tǒng)的出現(xiàn)，對(duì)控制質(zhì)量的要求日趨突出，切實(shí)保障現(xiàn)代復(fù)雜過(guò)程的可靠性與安全性，具有十分重要的意義。1.2概念容錯(cuò)控制（fault-tolerancecontrol）的概念是1986年9月正式提出的。容錯(cuò)的指導(dǎo)思想是：一個(gè)控制系統(tǒng)遲早會(huì)發(fā)生故障，因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)就應(yīng)該考慮會(huì)發(fā)生故障和這種故障可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能有很大的影響。.概述1.1引言.3

容錯(cuò)控制系統(tǒng)（fault-tolerancecontrolsystem）是在元部件（或分系統(tǒng)）出現(xiàn)故障時(shí)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)仍然可以穩(wěn)定運(yùn)行，并具有可以接受的性能指標(biāo)。..4容錯(cuò)控制分類容錯(cuò)控制可以從不同的角度分類按系統(tǒng)：線性系統(tǒng)容錯(cuò)控制和非線性系統(tǒng)容錯(cuò)控制按克服故障部件：執(zhí)行器、傳感器、控制器故障

容錯(cuò)控制按設(shè)計(jì)方法特點(diǎn)：被動(dòng)容錯(cuò)控制、主動(dòng)容錯(cuò)控制.容錯(cuò)控制分類容錯(cuò)控制可以從不同的角度分類.5被動(dòng)容錯(cuò)控制

其是設(shè)計(jì)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)值以外，還要考慮在故障情況下的參數(shù)值。被動(dòng)容錯(cuò)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(dòng)容錯(cuò)控制包括：同時(shí)鎮(zhèn)定，完整性控制，魯棒性容錯(cuò)控制，即可靠控制等幾種類型。主動(dòng)容錯(cuò)控制

主動(dòng)容錯(cuò)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(dòng)容錯(cuò)控制包括：控制器重構(gòu)，基于自適應(yīng)控制的主動(dòng)容錯(cuò)控制，智能容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)的方法。.被動(dòng)容錯(cuò)控制.6容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)的主要方法

容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)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(duì)于某些子系統(tǒng)可以采用雙重或更高重備份的方法來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。只要能建立起冗余的信號(hào)通道，這種方式可用于對(duì)任何硬件環(huán)節(jié)失效的容錯(cuò)控制。從設(shè)計(jì)原則著眼，又可分為下列幾種：.容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)的主要方法.73.1.1靜態(tài)硬件冗余例如設(shè)置三個(gè)單元執(zhí)行同一項(xiàng)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(dòng)態(tài)硬件冗余如果某臺(tái)在干預(yù)范圍內(nèi)的裝置出錯(cuò)，就將候補(bǔ)裝置切換上去，由他接替前者工作。.3.1.1靜態(tài)硬件冗余.83.2基于解析冗余上的考慮與“硬件冗余”相對(duì)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(guò)估計(jì)，以實(shí)現(xiàn)故障容錯(cuò)。通過(guò)估計(jì)技術(shù)或其他軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)容錯(cuò)性具有性能好、功能強(qiáng)、成本低和易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。3.2.1控制器重構(gòu)重構(gòu)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。.3.2基于解析冗余上的考慮.9利用測(cè)量之間或控制之間的依賴關(guān)系設(shè)有如下系統(tǒng)

式中，C∈Rm×n；A∈Rn×n；B∈Rn×r在第i個(gè)傳感器失效后（C矩陣的第i行變?yōu)榱悖┯休敵?/p>

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。.利用測(cè)量之間或控制之間的依賴關(guān)系.10設(shè)第i個(gè)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(shí)，狀態(tài)反饋矩陣的重構(gòu)問(wèn)題。其基本思想是重新計(jì)算狀態(tài)反饋矩陣，使閉環(huán)反饋系統(tǒng)在正常條件和故障發(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，.設(shè)第i個(gè)傳感器和其他傳感器輸出有線性依賴關(guān)系.11使得故障反饋系統(tǒng)的特征值和特征向量滿足兩個(gè)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(jì)算公式。.使得故障反饋系統(tǒng)的特征值和特征向量滿足.123.2.2完整性控制器設(shè)計(jì)完整性指的是當(dāng)控制系統(tǒng)中有一個(gè)或多個(gè)部件失效時(shí)，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定性的性質(zhì)。時(shí)域設(shè)計(jì)方法在被控對(duì)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(lái)構(gòu)造對(duì)執(zhí)行器失效具有高度完整性的控制律?？紤]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.3.2.2完整性控制器設(shè)計(jì).13對(duì)于任意L∈l可保證系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定。其中，P滿足方程若Q≥0，則（A，Q1/2）是可觀測(cè)的。

第i個(gè)執(zhí)行器正常第i個(gè)執(zhí)行器故障.對(duì)于任意L∈l可保證系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定。其中，P滿足方14參數(shù)空間設(shè)計(jì)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(gè)允許的區(qū)域Γ，將s平面上的Γ域映射到參數(shù)空間U中，可得PΓ,即設(shè)有控制律u=-KTxKT=(k1,...,kn).參數(shù)空間設(shè)計(jì)法.15將PΓ映射到V參數(shù)空間上可得KΓ={K|使P∈PΓ的K}顯然其設(shè)計(jì)思想是，當(dāng)系統(tǒng)有傳感器失效時(shí)，必然使一些狀態(tài)成為不可測(cè)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KΓ上。.將PΓ映射到V參數(shù)空間上可得KΓ={K|使P∈PΓ的K}.16..173.3.3基于自適應(yīng)估計(jì)的容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)多模型自適應(yīng)控制就是要給定的m+1個(gè)狀態(tài)空間模型中，在線的選取一個(gè)與對(duì)象實(shí)際特性最接近的模型，并據(jù)此設(shè)計(jì)控制器。實(shí)際上就是m+1個(gè)單模型設(shè)計(jì)的問(wèn)題，關(guān)鍵是正確選擇模型?？紤]系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障有m種，則可以做如下假設(shè)：.3.3.3基于自適應(yīng)估計(jì)的容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì).18當(dāng)Wi(k)和Vi(k)是互不相關(guān)的高斯噪聲時(shí)，基于上述模型可設(shè)計(jì)m+1個(gè)卡爾曼濾波器，根據(jù)這些濾波器的估計(jì)值，可計(jì)算條件概率分別設(shè)計(jì)m+1個(gè)相應(yīng)穩(wěn)定的LQG調(diào)節(jié)器，設(shè)每個(gè)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.當(dāng)Wi(k)和Vi(k)是互不相關(guān)的高斯噪聲時(shí)，19

多模型自適應(yīng)控制器的結(jié)構(gòu)如右圖：每個(gè)LQG調(diào)節(jié)器有實(shí)際的控制信號(hào)和輸出測(cè)量值所驅(qū)動(dòng)，輸出與相應(yīng)模型匹配的殘差矢量和控制信號(hào)，分別計(jì)算Pr{Hi/Zk}和控制信號(hào)u(k)。其穩(wěn)定條件是E{ri(k)}s<<Ej{ri(k)}(i≠j)此時(shí)條件概率Pr{Hi/Zk}趨于1，即系統(tǒng)穩(wěn)定。.多模型自適應(yīng)控制器的.203.3.4基于人工智能的容錯(cuò)控制基于專家系統(tǒng)的容錯(cuò)控制.3.3.4基于人工智能的容錯(cuò)控制.21基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)控制

由于專家系統(tǒng)的容錯(cuò)控制雖然可處理不精確的知識(shí)，但也只能解決與事先存儲(chǔ)好的、有專家經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的故障現(xiàn)象與處理方法相對(duì)應(yīng)的問(wèn)題，當(dāng)遇到新情況、新問(wèn)題時(shí)就無(wú)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(cuò)控制器設(shè)計(jì)。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。.基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)控制.22容錯(cuò)控制的應(yīng)用如下圖所示為某130t/h煤粉爐的容錯(cuò)控制系統(tǒng).容錯(cuò)控制的應(yīng)用如下圖所示為某130t/h煤粉爐的容錯(cuò)控制系統(tǒng)23

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(hào)都是表征受控系統(tǒng)狀態(tài)的重要參數(shù)，因此該設(shè)計(jì)采用的都是三重余度布置，應(yīng)用比較法，可以檢測(cè)傳感器通道故障，并自動(dòng)隔離、報(bào)警?？刂葡到y(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(wú)法有效隔離，因此對(duì)于每一個(gè)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(cè)主要依靠測(cè)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號(hào)和控制器輸出信號(hào)，然后進(jìn)行比較，同時(shí)輔以執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作影響的參數(shù)變化信號(hào)。以給粉機(jī)速度控制為例，調(diào)整機(jī)構(gòu)的故障主信號(hào)是給粉機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào)，輔助信號(hào)是爐內(nèi)燃燒溫度。

.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24

由于工控機(jī)和PLC的可靠性都已達(dá)到控制系統(tǒng)的要求(連續(xù)無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)105h)，另一方面由于程序執(zhí)行的獨(dú)立性，因此沒(méi)有設(shè)計(jì)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(duì)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(jiǎn)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(shí)，轉(zhuǎn)由下位機(jī)控制器輸出。.由于工控機(jī)和PLC的可靠性都已達(dá)到控制系統(tǒng)的要求(連25容錯(cuò)控制存在的問(wèn)題和發(fā)展展望4.1存在的問(wèn)題非線性系統(tǒng)的容錯(cuò)控制受到非線性系統(tǒng)自身的理論限制，非線性容錯(cuò)的結(jié)果非常有限，因?yàn)榉蔷€性系統(tǒng)缺乏一般的控制器綜合方法，非線性系統(tǒng)的FDI問(wèn)題也不成熟。自適應(yīng)容錯(cuò)控制因?yàn)樽赃m應(yīng)系統(tǒng)的本質(zhì)是非線性系統(tǒng)，涉及辨識(shí)和FDI以及參數(shù)調(diào)度重構(gòu)等問(wèn)題，故其屬于非線性容錯(cuò)控制范疇。高維、時(shí)變、時(shí)滯多變量系統(tǒng)的容錯(cuò)控制目前的完整性問(wèn)題研究的對(duì)象都是線性定常系統(tǒng)，對(duì)于高維時(shí)變系統(tǒng)還沒(méi)有很好的結(jié)果。.容錯(cuò)控制存在的問(wèn)題和發(fā)展展望4.1存在的問(wèn)題.264.2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(jì)方法研究在線重構(gòu)重建方法研究主動(dòng)容錯(cuò)控制中的魯棒性分析與綜合方法.4.2發(fā)展展望.27討論故障診斷和容錯(cuò)控制的關(guān)系

故障診斷是故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器和被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)故障監(jiān)測(cè)，得出控制系統(tǒng)的故障特征。容錯(cuò)控制則是容錯(cuò)控制器根據(jù)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得到的故障特征作出相應(yīng)的處理。這種處理可能要對(duì)反饋控制的結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)重構(gòu)（real-timereconfiguration），重構(gòu)可能簡(jiǎn)單到只從已計(jì)算的表中就可讀出一組新的控制增益，也可能復(fù)雜到實(shí)時(shí)地再設(shè)計(jì)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(cuò)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(cuò)控制是密切地聯(lián)系在一起的。.討論故障診斷和容錯(cuò)控制的關(guān)系.28針對(duì)應(yīng)用實(shí)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(cuò)、控制軟件的容錯(cuò)、控制算法的容錯(cuò).針對(duì)應(yīng)用實(shí)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29參考文獻(xiàn)[1]俞金壽.工業(yè)過(guò)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(cuò)控制[M].東北大學(xué)出版社，2003.[3]李明，徐向東.用容錯(cuò)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(bào)（自然科學(xué)版）1999，3（24）:54-60..參考文獻(xiàn)[1]俞金壽.工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制技術(shù)[M].上海：華東30謝謝大家！..31

控制算法是控制系統(tǒng)工作的保證，如果算法出了問(wèn)題，控制系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)誤操作。為了取得滿意的控制效果，控制算法一般