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容错控制系统概述

2019-04-22 09:36
可靠性杂坛
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三、概述

随着科技的发展和人类各方面需求的不断提高,人们对控制系统运行的效率、精度、时间和强度要求越来越高。为了实现系统运行的高效性和多应用性,系统结构的设计越来越精妙和细致。而这带来的是复杂且繁多的系统元件组合,执行器、传感器和连接部件在空间上大量分布和应用。为了保证系统在长时间高强度运行下的精度和安全可靠性,容错控制(Fault-tolerantControl,FTC)策略的构造就成为复杂工程系统设计的重要部分。容错控制系统的特点表现在当系统执行器、传感器、控制器、对象本身等系统各类组成元件发生故障时,系统的安全运行仍然得到保障并能保持满意性能。一方面,执行器和传感器作为系统运行驱动元件及信息获取和发送元件,故障的发生和解决已经得到人们的极大关注;另一方面,随着工业制造的复杂化和生产目标的多元化,各个子系统通过网络或关联链接互相传递信息,对关联链接安全可靠性的研究也随之进入容错控制领域。容错控制系统的研究也面临着新的挑战。从20世纪70年代系统完整性被提出以来,容错控制的发展已经历了四十多年。在其理论研究中,容错控制系统设计方法分为基于鲁棒控制技术的被动容错控制方法和基于故障补偿技术的主动容错控制方法。两者重点描述容错控制系统的全局特征和实时动态特征。现有的针对预判故障的传统被动容错设计方法在维数较低、故障源较少的简单控制系统中有较好的应用。其具体的应用实例可以在液位系统、倒立摆系统、质量-弹簧-阻尼系统,以及经过解耦降维的飞控系统上实现。但对于系统维数高且故障源较多的结构复杂系统,被动容错方法设计的容错控制策略较为保守,并不能保证系统在合理性能下运行,甚至会由于遗漏可能发生的故障模式而计算得到错误控制策略,导致系统发生故障时崩溃。更需要指出的是,被动容错控制方法仅仅对有限的故障模型,如中断、部分失效等有较好效果,它并不具备补偿严重故障(如偏移、卡死等故障)的能力。因此,不需要预判故障,而通过在线调节控制器参数或重构控制器的主动容错控制就成为人们重点研究的方法。主动容错控制中基于故障检测与分离(FaultDetectionandIsolation, FDI)技术的控制方法和基于自适应技术的控制方法是研究最为广泛的方法。其中基于FDI方法的容错控制策略由于其高效性和较高的应用价值,近年来备受学者的青睐。它的设计依赖于故障诊断机构的诊断结果,其更为重要的意义在于设计故障诊断机构正确及时地诊断出故障信号。因此,在这类主动容错控制中,控制器的重组(Reconfiguration)或控制系统的重构(Reconstruction)需要FDI子系统提供精确及时的故障信息,从而构造有效的容错控制策略。但故障诊断机构的诊断会受到外部扰动、时滞、系统模型不精确性及其他环境因素的影响,给出不够精确甚至错误的故障诊断信号。显然,应用误诊的故障信号重组或重构容错策略控制系统会给系统带来灾难性的破坏。所以,另一类不需要精确故障信息的主动容错控制方法——自适应方法迅速成为学者们研究的热点。自适应技术可以获取未知参数每个时刻的估计信息,且控制增益可以响应参数的变化而实时变化。根据此特点,在故障未知的情况下,利用自适应技术估计故障信号代替故障诊断机构的诊断信号,再应用估计信号作为间接信号辅助构造容错控制策略。因此,与基于FDI技术的容错控制方法不同,基于自适应技术的容错控制策略不需要估计准确的故障信息,对容错控制系统也更能保证它的可靠性。

四、发展概况

容错控制问题的提出由来已久, 而随着计算机技术的发展和控制理论的成熟, 容错控制的发展在四十多年来有目共睹。学者Niederlinski 早在1971年即提出完整性控制 (Integral Control) 的概念, 将容错控制思想引入控制系统中。接着Siljak于1980年发表了关于可靠镇定的文章,意味着容错控制发展成一种高可靠技术。1985年, Eterno等人将容错控制进行分类, 进一步完善容错控制体制。1986年9月, 美国国家科学基金会和美国电气和电子工程师协会 (IEEE) 控制系统学会在美国加州桑塔卡拉(Santa Clara) 大学联合召开了关于控制所面临的机遇与挑战的讨论会, 参加这次会议的有全世界最著名的52位控制理论与应用专家, 他们在一份提交给大会的报告中, 把容错控制列为当今和未来7 个挑战性课题之一。在1993年和1997年, Patton教授撰写了容错控制方面比较有代表性的综述文章, 全面阐述了容错控制所面临的问题和基本的解决方案。国际自动控制界对容错控制的发展给予了高度重视。在国际上, 1993年成立了IFAC技术过程故障诊断与安全性技术委员会。从1991年起IFAC每三年召开一次故障检测与诊断和容错控制方面的国际专题学术会议。近年来, 许多国际会议如2007年IEEE CCA等针对容错控制的应用设立了专题报告。最近, 一些综述文献全面解析了容错控制发展中所出现的方法, 并进行了相应的比较。我国在容错控制理论上的研究基本上与国外同步, 并且我国学者不论在容错控制领域的理论研究还是实际应用方面都有杰出的贡献。张翰英教授在1986年就发表论文提出必须加速发展实用性容错系统研究。1987年叶银忠等就发表了容错控制的论文, 并于次年发表了这方面的第一篇综述文章。此后, 我国学者周东华、程一、葛建华、胡寿松等又将容错技术用于动态系统及传感器失效研究。1994年葛建华等出版了我国第一部容错控制的学术专著。近二十年来, 国内陆续出版了多本关于故障诊断和容错控制的专著 还发表了大量的综述性文章。在容错控制的发展历程中, Eterno等人在1985年将容错控制分为主动容错控制 (Active FTC) 和被动容错控制 (Passive FTC), 如今这已成为现代容错控制研究方法分类的依据。被动容错控制基于鲁棒控制技术, 不需要任何在线的故障信息, 只针对预知的故障设计一个固定控制器来确保闭环系统对故障不敏感, 保持系统的稳定和性能。而主动容错控制一方面可以直接利用在线的故障诊断信息, 通过诊断信号在线选择或重构/重组控制器以保证故障发生后系统的稳定性和性能指标;另一方面, 也可以利用间接的故障估计信号或者故障所产生的系统变化, 在线调节控制信号, 保持系统稳定性。被动容错控制和主动容错控制各有其特点, 前者重点描述系统的全局特征并优化系统性能, 而后者则侧重于描述系统的实时动态特征, 补偿故障影响。两者在实际系统中都有相关的应用。

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