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1.2容错技术简介容错控制及其系统组成容错控制的发展及研究现状1.2.1容错控制的概念和任务容错概念最初来源于计算机系统设计领域，是指系统内部环节发生局部故障或失效情况下，计算机系统仍能继续正常运行的一种特性。后来人们逐渐把容错的概念引入到控制系统，这样人们虽然无法保证控制系统每个环节的绝对可靠，但是构成容错控制系统后，可以使系统中的各个故障因素对控制性能的影响被显著削弱，从而间接地提高了控制系统的可靠性。特别是控制系统的重要部件的可靠度未知时，容错技术更是在系统设计阶段保证系统可靠性的必要手段。容错控制的指导思想是在基于一个控制系统迟早会发生故障的前提下，在设计控制系统初期时就将可能发生的故障对系统的稳定性及静态和动态性能影响考虑在内。最简单的情况，如果传感器或执行器发生故障，在故障后不改变控制律的情况下，如何来维持系统的稳定性就是控制器设计过程中值得注意的问题。在容错控制技术中，这种问题属于完整性控制的范畴。在某种程度上，容错控制系统是指具有内部冗余（硬件冗余、解析冗余、功能冗余和参数冗余等）能力的控制系统，即在某些部件（执行器、传感器或元部件）发生故障的情况下，闭环系统仍然能保持稳定，并在原定性能指标或性能指标有所降低但可接受的条件下，安全地完成控制任务，并具有较理想的特性。动态系统的容错控制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。1.2.2容错控制的现状研究容错控制系统的基本结构为：传感器、故障检测与诊断子系统、执行器和控制器。其中，故障检测与诊断子系统能够对控制系统进行实时故障监测与辨识等；控制器则根据故障诊断信息作出相应的处理，实施新的容错控制策略，保证系统在故障状态下仍能获得良好的控制效果。在实际控制系统中,各个基本环节都有可能发生故障。容错控制系统有多种分类方法,如按系统分为线性系统容错控制和非线性系统容错控制，确定性系统容错控制和随机系统容错控制等；按克服故障部件分类为执行器故障容错控制，传感器故障容错控制,控制器故障容错控制和部件故障容错控制等；按控制对象不同分为基于硬件冗余和解析冗余的容错控制分类。一般，为了全面反映容错控制系统的特性，常将上述各种分类方法组合运用。1.硬件冗余方法硬件冗余是指对系统的重要部件及易发生故障部件设置各种备份,当系统内某部件发生故障时,对故障部分进行隔离或自动更换,使系统正常工作不受故障元器件的影响，保证系统的容错性能。硬件冗余方法根据备份部件是否参与系统工作可分为静态硬件冗余和动态硬件冗余。l)静态硬件冗余:并联多个相同的组件,当其中某几个发生故障时并不影响其它组件的正常工作。2)动态硬件冗余:在系统中不接入备份组件,只有在原组件发生故障后,才把输入和输出端转接到备份组件上来,同时切断故障组件的输入和输出端,即运行模块的失效，备用模块代替运行模块工作。系统应该具有自动发现故障的能力与自动转接设备。硬件冗余方法可以用于任何硬件环节失效的容错控制,建立起来的控制系统将具有较强的容错能力，具有简单、有效、检测快速等优点，但是重复的硬件设备多,使系统投资、能耗增加，一般只用于重要部件的备份。2.基于解析冗余的设计方法解析冗余的容错控制方案通过分析控制系统中不同部件在功能上的冗余性,进而通过控制器的设计实现对局部故障的容错。在正常状态下,控制系统中所有的部件都处于工作状态,当某些部件失效时,其余完好的部件部分地或全部地承担起故障部件所失去的控制作用,使控制系统的性能维持在允许的范围内。解析冗余的容错控制器设计方法根据是否基于故障检测与诊断机构，分为主动容错控制和被动容错控制两种类型。本文主要讨论基于被动容错控制技术在悬浮系统中的应用。l)被动容错控制器被动容错控制就是在不改变控制器结构和参数的条件下,利用鲁棒控制技术使整个闭环系统对某些确定的故障具有不敏感性,以达到故障后系统在原有的性能指标下继续工作的目的。它将系统中的故障归结为系统中的参数摄动问题。被动容错控制器的参数一般为常数,不需要实时获取故障信息,也不需要在线调整控制器的结构和参数,故其容错能力有限。根据容错控制对象的不同,被动容错大致可以分成可靠镇定、完整性、联立镇定等几种类型。可靠镇定(RellableStabilization)可靠镇定是指采用两个或者多个补偿器并行地镇定同一个被控对象，当其中任意一个或多个补偿器发生故障后失效，而剩余的补偿器还能够正常工作时，闭环系统仍然可以稳定的运行。可靠镇定实际上是关于控制器的容错控制问题。例如要求寻找是否存在两个控制器,它们既能单独又能共同镇定同一个被控对象。如果存在,则无论是它们共同工作,还是其中一个单独工作,闭环系统都是稳定的。完整性控制(Integralityconirol)完整性控制是多变量系统中一类特殊的问题,主要针对传感器和执行器故障的容错控制。即如果发生执行器或传感器卡死、饱和与断路故障时,或执行器和传感器同时发生故障时，闭环系统仍然是稳定的,那么就称此系统具有完整性,通常也称该回路为具有完整性的控制回路。完整性控制一般研究的对象是线性定常系统,设计方法有:时域设计方法、参数空间设计法Riccati方程、极点配置技术、Lyapunov方法以及LMI方法等。联立镇定联立镇定也称为同时镇定，是针对被控对象内部元件故障的一种容错控制方法。给定多个被控对象（把任一带有不同类型故障的系统都看作一个单独的被控对象），联立镇定问题的目标是：构造一个固定的控制器，使其可以镇定上述的任意一个被控对象，则该控制器对被控制对象的特性变化具有鲁棒性，对系统故障具有稳定意义上的容错能力。联立镇定问题的实质是：设计一个固定的控制器来镇定一个动态系统的多模型。联立镇定问题的主要作用是：一方面,在被控对象发生故障的情况下，仍然可以使其保持稳定，达到容错控制的目的；另一方面对于非线性控制对象，由于经常是通过采用线性控制的方法在某一工作点上对其进行控制，因此，当工作点变动时，对应的线性模型则不同，此时，具有联立镇定功能的控制器可以使得系统在不同工作点上都是稳定的，从而起到镇定被控对象的作用。2)主动容错控制器被动容错控制系统是针对系统特定的故障集而设计的,其设计过程通常比较复杂,设计出来的控制器通常过于保守,其性能不可能是最优的。而且当发生的故障不属于设计阶段所考虑的故障集时,系统的稳定性都可能无法得到保证。这是被动容错控制的不足之处,却是主动容错控制设计所能解决的问题。主动容错控制在故障发生后需要根据故障情况重新调整控制器的参数,也可能需要改变控制器的结构。大多数主动容错控制需要故障检测与诊断子系统,只有少部分不需要FDD子系统,但也需要获知各种故障信息。主动容错控制大体上可以分为控制律重新调度、控制律重构和模型跟随重组三大类。控制律重新调度(Redistribution)控制律重新调度是Astrom等人在1989年提出的。其基本思想是离线计算出各种故障下所需的控制律,并储存在计算机中。然后,根据在线FDD提供最新的故障信息进行控制器的选择和切换,组成一个新的闭环控制系统,从而起对故障容错的作用[6G-63]。显然,这种主动容错控制策略对故障检测与诊断机构的实时性要求比较高,也需要对被控系统的认知程度比较深。采用实时专家系统进行控制器的切换将会产生很好的效果。该方法现已应用于航空控制、航天控制、化学过程等。控制律重构设计(Reconfiguration)控制律重构设计:即在FDD单元故障定位后,根据系统本身提供的冗余信息,结合故障系统的新环境,在线重组或重构控制律。需要说明的是原系统本身具有功能冗余性是故障系统能否进行重构最基本的条件。模型跟随重组控制:先给出一参考模型,不管系统是否发生故障,让被控对象的输出始终跟随该参考模型的输出,这样,当发生故障后,控制器就会重组控制律让被控对象的输出保持跟随参考模型的输出,从而达到处理故障的目的因此,这种容错控制不需要FDD单元,它采用隐含的方法来处理故障。