容错控制汇报

复杂非线性系统容错控制汇报人张婧瑜电子电气工程系2012年11月30日•研究意义•随着工业自动化程度的提高，现代系统正朝着大规模、复杂化方向发展，如果传感器、执行器、控制器及控制过程本身存在的微小故障，不仅可能导致整个系统性能恶化，甚至会造成系统崩溃，从而造成人员伤亡和物质财产的损失；•传统反馈控制方法不能满足故障系统的性能要求；•人们迫切需要提高现代系统的可靠性与安全性，必须设计一种控制系统，使得系统在传感器失效或执行机构中断，甚至被控对象出现故障时仍能保持•研究内容•容错控制系统：指在执行器、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。容错控制（fault-tolerantcontrol）的目标是当系统的某些部件出现故障或失效时，基于系统部件功能上的冗余性，在适当降低某些性能指标的前提下，整个控制系统仍能维持稳定，从而提高系统的可靠性。课题内容•容错控制的研究被动容错控制采用固定的控制器来确保闭环系统对特定的故障不敏感，保持系统的稳定。主动容错控制故障发生后,根据所期望的特性重新设计一个控制系统，并使整个系统稳定的同时达到可接受的性能。新的控制系统的性能与原系统相比有可能会有所下降。二者有着本质不同:被动容错：所有系统故障系统设计阶段已预先想到：一旦投运，系统结构将不再发生变化，即使发生故障，系统仍应维持在期望的运行状态。因此系统必须保证其工作在当初进行设计时所考虑到的所有可能状态才具有容错能力，对未知故障不具备容错能力，且要兼顾多类故障，保守性较大，控制性能不尽人意。主动容错：故障发生后根据系统的性能要求重新调整控制器的参数,或改变控制器的结构。因此，主动容错不仅能够对事先未考虑到的故障实现容错，而且可使故障发生后的系统在新的容错控制器支配下获得较为满意的控制效果。因此，主动容错控制的研究更受人们的青睐。主动容错控制的定义主动容错控制指在控制系统中引入故障诊断（FDD）与控制器重构等辅助机构，在线检测故障，根据检测到的故障信息和所期望的特性，重新调整控制器的参数或者对控制器的结构重新设计。新的控制系统性能可能会有所下降，但至少要保证系统稳定。主动容错的类型：●控制律重新调度（调整控制器参数）●控制律重构设计（改变控制器结构）●模型跟随重组（自适应）重组和重构均可以采用离线或在线方式进行．实际研究中，这两个概念区分并不是很明显，有时会交替使用。控制律调度这是一类最简单的主动容错控制方法，称之为增益调度，也称为控制律重组。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，就可以从表中选出一个合适的增益参数，得到容错控制律。控制率重组法结构简单，比较易于设计和采用，具有较好的应用前景；但控制律重新调度的操作很大程度上受FDD单元鲁棒性的影响。控制律重构设计控制律重构设计也叫控制器重构设计，是根据故障系统的新环境，在FDD单元确诊故障后，重新设置系统的工作点，并给出可改善系统性能的新控制律。这种结构或参数的重构可以从已计算好的表中读取一组新的控制算法或增益，也可以实时地再设计控制器。重构的目标是使重构后的系统在性能上尽量接近原系统，即使性能有所下降也应保持在可接受范围内。模型参考自适应控制的基本思想是：使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。当故障发生后，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。这类容错控制是采用隐含方法来处理故障的。模型参考自适应控制的优点是可以自适应地跟随一些故障并进行容错控制，该方法主要针对一些非线性系统。主动容错控制通常需要一个FDD子系统，运行时先在线诊断出故障的详细信息，进而做出相应的对策以进行容错。由于故障的在线检测与诊断以及新的控制律的求解不仅费事，而且可靠性难以保证，甚至可能导致容错失效。于是提出了基于模型的主动容错控制的方案。容错控制的工业应用依然不能脱离被控对象的数学模型。然而在多数情况下，被控对象的数学模型难以精确建立，或在正常运行期间模型的参数可能发生变化，因此容错思想解决实际问题时，首先需要建立被控对象的数学模型。传统的辨识建模方法有机理建模法、阶跃响应曲线建模法，后来采用系统辨识技术，根据系统实际运行或实验过程中取得的输入输出数据，不断地更改模型参数使其接近于对应的系统参数，使模型输出在给定的准则下逼近系统的输出值。但对本质非线性系统，上述建模方法难以付诸应用[7]目前常见的建模方法有：模糊算法、回归分析、神经网络、支持向量机（SVM）、部分最小二乘等方法[8]将多模型的思想应用于主动容错控制容错控制方案一多模型不像PID可以独立构成一种控制方法，而是需要与其他控制方法结合使用，例如，自适应控制，预测控制，内模控制，逆系统等等。问题的提出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。典型的主动容错控制通常有一个FDD子系统，在运行时先在线诊断出故障的详细信息，进而做出相应的对策，以达到容错的目的。由于故障的在线检测与诊断以及新的控制律的求解不仅费时，而且可靠性难以保证，甚至可能导致容错失效。根据故障先验知识，针对事先可预见的故障，离线求解其对应的控制律；当在线检测或诊断出系统发生故障时，只需调度与之匹配的容错控制律即可保证系统一定的控制性能。输入参考轨迹非线性优化被控对象r-a-b支持向量机预测模型滤波器动态模型库正常模式故障模式1。。。故障模式n决策机制计算监控指标yde(k+j)__u(k)y(k)e(k)zzy(k)my(k+j)py(k+j)设定值图1基于支持向量机的主动容错控制方框图系统性能容忍度指标•系统性能容忍度指标是为了在线检测系统是否发生故障而提出的，定义如下：•其中N为滑动数据窗的长度，与系统正常运行时的调节时间有关，y(k)为实时系统输出，为系统期望输出。•系统性能容忍度指标的阈值为相应的可接受的系统性能。当某时刻此指标大于性能容忍度指标设定阈值时，认为系统发生故障．101()(()())(()())NTcddiQkykiykiykiykiN()dyk模型失配度指标•模型失配度指标是为了在系统运行状态发生改变时，系统能在模型库中匹配到合适的运行模式而提出的，定义如下：•其中I是模型库中模型种类的集合，s={0,l，2…,I-1}，•s=0表示系统的正常模式，s=l，2,…,I-1则表示可能的故障模式•y(k)为实时系统输出，为此时刻模型库中按第s个运行模式模型的预测值。()min{()(),}ispQkykyksS()spyk•当模型失配度指标未超过设定阈值时，系统从模型库中取得的相应的模型即认为是系统状态改变后新的运行状态的模型，调用与之匹配的控制律以实现容错控制;•当模型库中已有模型与系统之问的模型失配度指标超过设定阀值时，认为系统发生了新的故障，需要在线为新故障运行状态建立新的故障模型并且在线自整定控制律以实现系统容错控制目的。iTQiTQiQ输入参考轨迹动态模型库正常模式故障模式1。。。故障模式n__设定值()syki()ryki()eki()uk()eki()fyi()pyki()Pyk()jfi决策机制计算监控指标被控对象PFC控制器基函数库Ls-svm支持向量机预测模型()myki()yki容错控制方案二图2基于预测函数控制器的容错控制结构图GPC控制器被控对象即时学习预测模型即时学习算法建模()yt参考轨迹监控机制动态模型库正常模式故障模式1故障模式n过渡容错控制器()syki()ryki()eki()uk--+容错控制方案三图3包含过渡容错的容错控制结构图容错控制方案四—传感器故障容错控制图4基于模型的故障诊断结构图容错控制方案四—传感器故障容错控制PID液位单元传感器故障检测与决策机制传感器u（t）y（t）y（t）模型yr（t）y（t）图5传感器故障容错控制结构图