容错控制及应用

• 基于专家系统的容错控制
• 基于神经元网络的容错控制 由于专家系统的容错控制虽然可处理不精确的
知识，但也只能解决与事先存储好的、有专家经验 总结出来的故障现象与处理方法相对应的问题，当 遇到新情况、新问题时就无能为力了。由于神经元 网络控制器在结构上的功能冗余性，人们引入了神 经元网络进行容错控制器设计。但由于神经元网络 理论研究本身还很不完善（如鲁棒性差、结果不确 定、影响不明确等），这方面的研究还很困难。
考虑系统可能出现的故障有m种，则可以做如 下假设：
Hi
:
xk
1 Ai xk Biuk Wi zk Ci xk Vi k
k
i 0,1,, m
当Wi(k)和Vi(k)是互不相关的高斯噪声时，基 于上述模型可设计m+1个卡尔曼滤波器，根据这些滤 波器的估计值，可计算条件概率
Pr Hi / Zk
结构如右图： 每个LQG调节器有实际
的控制信号和输出测量值所 驱动，输出与相应模型匹配 的残差矢量和控制信号，分 别计算Pr{Hi/Zk}和控制信 号u(k)。其稳定条件是 E{ri(k)}s<<Ej{ri(k)}(i≠j) 此时条件概率Pr{Hi/Zk}趋于 1，即系统稳定。
3.3.4 基于人工智能的容错控制
容错控制的应用
如下图所示为某130t/h煤粉炉的容错控制系统
控制系统的输入设备由传感器组、配电器和A/D模块组 成。由于控制系统所需要采集的信号都是表征受控系统状 态的重要参数，因此该设计采用的都是三重余度布置，应 用比较法，可以检测传感器通道故障，并自动隔离、报警。
控制系统的输出设备由一系列执行机构组成。由于大 部分执行机构，如风门等，无法有效隔离，因此对于每一 个执行机构单元未进行冗余布置。
然使一些状态成为不可测状态，即使一些
K
i
0。
选择[k1,...,kn]的取值范围，使得某些ki由正常
值变0后，K’=[k1,...,0,...,kn]依然处在KΓ上。
3.3.3 基于自适应估计的容错控制器设计
多模型自适应控制就是要给定的m+1个状态空 间模型中，在线的选取一个与对象实际特性最接 近的模型，并据此设计控制器。实际上就是m+1个 单模型设计的问题，关键是正确选择模型。
执行机构的检测主要依靠测量执行机构的位置反馈信 号和控制器输出信号，然后进行比较，同时辅以执行机构 动作影响的参数变化信号。以给粉机速度控制为例，调整 机构的故障主信号是给粉机转速的反馈信号，辅助信号是 炉内燃烧温度。
由于工控机和PLC的可靠性都已达到控制系统的要求(连 续无故障工作时间长达105h)，另一方面由于程序执行的独 立性，因此没有设计双机热备份系统，而采用了冷备份系统。
使得故障反馈系统的特征值 ci 和特征向量 fi 满足
两个条件：
n
2
min Kf
i 1
fi
ci
min V fi Vi 2
i 1,2,3,..., n
基于系统特征值和特征矢量配置方法，即可得到上 述反馈矩阵Kf的计算公式。
3.2.2 完整性控制器设计
完整性指的是当控制系统中有一个或多个部 件失效时，系统仍能保持稳定性的性质。
受到非线性系统自身的理论限制，非线性容错的结果非 常有限，因为非线性系统缺乏一般的控制器综合方法，非线 性系统的FDI问题也不成熟。
• 自适应容错控制
因为自适应系统的本质是非线性系统，涉及辨识和FDI 以及参数调度重构等问题，故其属于非线性容错控制范畴。
• 高维、时变、时滞多变量系统的容错控制
目前的完整性问题研究的对象都是线性定常系统，对于 高维时变系统还没有很好的结果。
以及大规模高水平的综合自动化系统的出现，对 控制质量的要求日趋突出，切实保障现代复杂过 程的可靠性与安全性，具有十分重要的意义。
1.2 概念 容错控制（fault-tolerance control）的概
念是1986年9月正式提出的。容错的指导思想是： 一个控制系统迟早会发生故障，因此在设计控制 系统时就应该考虑会发生故障和这种故障可能会 对系统的性能有很大的影响。
Pr Hi / Zk NCi xˆi k / k 1, Si
m
Pr Hi / Zk N Ci xˆi k / k 1, S j
j0
分别设计m+1个相应稳定的LQG调节器，设每个
调节器的控制规律为ui(k),则多模型自适应控制律
为
m
uk Pr H i / Z k ui k
i0
多模型自适应控制器的
• 时域设计方法
在被控对象是渐进稳定的假设中，以用 lyapunov矩阵方程的半正定解来构造对执行器失 效具有高度完整性的控制律。
考虑线性可控系统 x Ax Bu
A的特征值均在左半平面，则状态反馈控制律
u LBT Px
对于任意L∈l可保证系统渐进稳定。其中，
P满足方程
PA AT P Q 0
上位机和下位机各有相对独立的两套控制器。上位机控 制器的控制算法比较复杂，具有自适应和优化等功能，而下 位机控制器的控制算法则比较简单。故障监控系统在上位机 运行。一般情况由上位机控制器输出，当上位机控制器异常 时，转由下位机控制器输出。
容错控制存在的问题和发展展望
4.1 存在的问题 • 非线性系统的容错控制
有输出
yf Cf x
式中，Cf是C去掉第i行所得到的矩阵； yf是y去掉yi后得到的矢量。
设第i个传感器和其他传感器输出有线性依赖关系
即 yˆi Ciy f
Ci R1m1
所以可以从m-1维的输出yf综合出m维的输出 yˆ
• 使重构系统的特性结构尽可能接近原系统的特征
结构
Velle讨论了状态反馈系统执行器中断时，状态 反馈矩阵的重构问题。其基本思想是重新计算状 态反馈矩阵，使闭环反馈系统在正常条件和故障 发生后的特征值和特征矢量尽可能接近，设ci和Vi 是闭环系统正常状态下的特征值和特征矢量，当 系统发生故障后，希望寻找新的反馈矩阵 K f ，
4.2 发展展望 • 研究快速FDI方法 • 研究鲁棒FDI与鲁棒控制的集成设计方法 • 研究在线重构重建方法 • 研究主动容错控制中的鲁棒性分析与综合方法
讨论
• 故障诊断和容错控制的关系
故障诊断是故障监测系统对控制系统中的传感器、执行器 和被控对象进行实时故障监测，得出控制系统的故障特征。 容错控制则是容错控制器根据故障监测系统所得到的故障特 征作出相应的处理。这种处理可能要对反馈控制的结构实时 重构（real-time reconfiguration），重构可能简单到只 从已计算的表中就可读出一组新的控制增益，也可能复杂到 实时地再设计控制系统，以保证系统在故障状态下仍能获得 良好的控制效果。由此可见，不论是故障诊断，还是容错控 制，其目的都是为了提高系统的可靠性，因此控制系统故障 诊断和容错控制是密切地联系在一起的。
3.2.1 控制器重构
重构的原则是使重构后的系统在性能上尽量 接近原系统，或者即使系统性能有所降低，也能 保证系统的最低性能要求，如稳定性等。
• 利用测量之间或控制之间的依赖关系
设有如下系统
•
x Ax Bu
y Cx
式中，C∈Rm×n；A∈Rn×n；B∈Rn×r
在第i个传感器失效后（C矩阵的第i行变为零）
s n T n s si
i 1
si ,i 1,, n
设有控制律 u=-KTx
KT=(k1,...,kn)
将PΓ映射到V参数空间上可得KΓ={K|使P∈PΓ的K}
显然 K T PT 1 E
eT
E
eT An
eT 0,,0,1b, ab,, An1b 1
其设计思想是，当系统有传感器失效时，必
容错控制及应用
fault-tolerance control&application
专业：检测技术与自动化装置 姓名：邢 硕 学号：20100271
主要内容
• 概述 • 容错控制分类 • 容错控制设计的主要方法 • 容错控制的应用 • 容错控制存在的问题和发展展望
概述
1.1 引言 随着工业过程越来越趋向于大型化和复杂化，
[3]李明，徐向东.用容错技术提高锅炉控制系统的 可靠性[J].清华大学学报（自然科学版）1999， 3（24）:54-60.
谢谢大家！
控制算法是控制系统工作的保证，如果算法出了问题，控制系统就 会出现误操作。为了取得满意的控制效果，控制算法一般都比较复杂， 有些甚至采用了自适应、自学习算法，因此难以通过仿真对控制算法进 行全面的检验；并且受控对象的特性也有可能发生改变，偏离控制算法 的设计区域。所有这些因素都会导致控制系统在某些意想不到的情况下 做出误操作。控制器的输出是否正常，是针对它对受控对象的影响结果 而言，其本身并不具备明显的特征。由于一般受控对象都有一定的滞后 和惯性，因此控制器的输出对受控对象的影响具有迟滞性和积累性，因 此并不能根据受控对象当时的状态来判定控制器输出是否正常，而需要 一套预测的方法提供信息。
• 按克服故障部件：执行器、传感器、控制器故Байду номын сангаас 容错控制
• 按设计方法特点：被动容错控制、主动容错控制
• 被动容错控制
其是设计适当固定结构的控制器，该控制器除了考虑 正常工作状态的参数值以外，还要考虑在故障情况下的参 数值。
被动容错控制是在故障发生前和发生后使用同样的控 制策略，不进行调节。
被动容错控制包括：同时镇定，完整性控制，鲁棒性 容错控制，即可靠控制等几种类型。
• 主动容错控制
主动容错控制是在故障发生后需要从新调整控制器参 数，也可能改变控制器结构。
主动容错控制包括：控制器重构，基于自适应控制的 主动容错控制，智能容错控制器设计的方法。
容错控制设计的主要方法