容错控制理论及其应用_周东华

容错控制在电力系统中的应用研究
程宏波;吴文辉;王勋
【期刊名称】《华东交通大学学报》
【年(卷),期】2011(028)005
【摘要】在介绍容错控制基本思想的基础上,从容错控制的角度对提高电力系统可靠性的措施进行了分析,总结了电力系统中已有的用以提高可靠性的方法与客错控制之间的关系,综述了电力系统中容错控制方法的应用,分析了其面临的问题和将来的发展趋势,对容错控制在电力系统中的应用进行了展望.
【总页数】5页(P18-22)
【作者】程宏波;吴文辉;王勋
【作者单位】华东交通大学电气与电子工程学院,江西南昌330013;华东交通大学电气与电子工程学院,江西南昌330013;华东交通大学电气与电子工程学院,江西南昌330013
【正文语种】中文
【中图分类】TM774
【相关文献】
1.电力系统无功电压控制在多Agent系统中的应用研究 [J], 马小建;魏金成
2.容错控制在电力系统中的应用研究综述 [J], 李江;李国庆
3.容错控制在汽车底盘控制中的应用 [J], 黄芳;张雪晖
4.容错控制在浓硝酸高压反应釜中的应用研究 [J], 李善田
5.脉冲控制在励磁电力系统中的应用研究 [J], 李书舟; 刘斌
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控制系统容错应用控制系统在各行业的应用中起到至关重要的作用，而容错技术则是保证系统的稳定性、可靠性和安全性的重要手段之一。

在控制系统中，容错应用可以通过检测并修复故障、错误或异常情况，来保持系统的正常运行。

本文将探讨控制系统中容错应用的重要性以及其在不同领域中的具体应用。

一、控制系统容错应用的重要性当控制系统发生故障或错误时，可能会导致系统失去控制、无法应对异常情况或产生严重后果。

因此，控制系统的容错能力对于保证系统的正常运行和避免潜在风险至关重要。

1. 提高系统可靠性：容错应用可以提高控制系统的可靠性，及时发现并处理系统故障，降低系统崩溃或失效的风险，确保系统能够持续稳定运行。

2. 保障系统安全性：控制系统容错应用可以对系统进行实时监测和故障诊断，及时发现安全隐患，避免系统受到未知威胁的攻击，确保数据的安全和隐私。

3. 提高系统可控性：容错技术可以通过检测和纠正系统中的错误或异常，改善系统的性能和响应能力，提高系统对外部干扰的抵抗能力，使系统能够更好地响应用户需求。

二、控制系统容错应用的具体领域应用1. 工业自动化领域在工业自动化控制系统中，容错应用起着至关重要的作用。

对于工业生产的关键环节，通过引入容错技术，不仅可以实时监测设备状态、检测故障，并及时采取措施修复，还可以提高生产设备的可靠性和稳定性，减少生产成本和人力资源投入。

2. 轨道交通领域在轨道交通系统中，控制系统的稳定性和安全性对于乘客的生命安全至关重要。

容错应用可以实时监测和诊断轨道交通系统的运行状况，检测故障并及时采取措施修复，有效预防事故的发生，提高交通运行效率和安全性。

3. 航空航天领域航空航天领域是对控制系统容错应用要求最为严格的领域之一。

航空航天系统必须具备高度可靠性和安全性，容错应用可以对系统进行实时监测和故障诊断，控制系统在遭遇异常情况时能够及时切换到备份系统，确保飞行安全。

4. 医疗设备领域在医疗设备领域，控制系统容错应用同样具有重要意义。

控制系统的故障诊断与容错控制：探讨控制系统的故障诊断与容错控制的应用和实践引言当我们谈到控制系统，我们通常不会想到故障和错误。

然而，在现实世界中，任何复杂的系统都有可能出现故障。

这就是为什么故障诊断和容错控制对于确保控制系统的稳定性和可靠性至关重要的原因。

本文将探讨控制系统的故障诊断与容错控制的应用和实践，以及它们对现代工程的影响。

什么是故障诊断与容错控制故障诊断与容错控制是一种通过监测控制系统的性能和状态，检测和处理故障的技术。

它的目的是及时发现和解决故障，以确保系统的正常运行。

故障诊断是指检测和识别控制系统中出现的错误或故障的过程，而容错控制是指通过采取一些措施来处理这些错误或故障，以确保系统的稳定性和可靠性。

故障诊断的方法和技术在故障诊断中，有许多不同的方法和技术可用于检测和识别故障。

其中一种常用的方法是模型基于诊断方法，它使用控制系统的物理模型来预测系统的行为，并与实际系统的行为进行比较。

如果存在差异，就可以确定系统中的错误或故障。

另一种常用的方法是残差分析法，它分析控制系统中的残差（实际输出与期望输出之间的差异）来检测故障。

容错控制的方法和技术在容错控制中，最常用的方法是冗余技术。

冗余技术意味着在控制系统中添加额外的组件或备用系统，以便在主要组件或系统发生故障时，能够继续正常工作。

例如，航天器通常会使用冗余系统，以确保即使发生故障，宇航员仍然安全返回地球。

另一种容错控制的方法是基于自适应系统的技术，即使在控制系统中发生故障时，系统仍能自动调整和适应新的条件。

故障诊断与容错控制的应用和实践故障诊断和容错控制已经广泛应用于各种领域，包括航空航天、汽车、化工、核能和电力系统等。

在航空航天领域，故障诊断和容错控制对于确保飞机的安全和可靠性至关重要。

航空航天器通常使用多重冗余系统和自适应系统来处理故障。

在汽车领域，故障诊断和容错控制可以帮助检测和解决引擎故障、刹车故障和安全气囊故障等问题。

在核能和电力系统领域，故障诊断和容错控制可以帮助确保核反应堆的安全运行，并防止事故发生。

容错控制理论及其应用一、概述随着现代系统日益复杂化和规模化，系统发生事故的风险也在逐步增加。

例如，1998年至1999年间，美国的三种运载火箭“大力神”、“雅典娜”和“德尔他”在短短10个月内共发生了5次发射失败，造成了超过30亿美元的直接经济损失，严重打击了美国的航天计划。

这类事故凸显了提高现代系统可靠性与安全性的紧迫性。

在这样的背景下，容错控制理论及其应用应运而生，为复杂系统的可靠性提升开辟了新的途径。

容错控制，又被称为故障容忍控制，是一种在系统元部件（或分系统）发生故障时仍能保持其基本功能能力的控制策略。

其核心思想是，在设计控制系统时，应预先考虑到可能发生的故障，以及这些故障对系统性能可能产生的重大影响。

容错控制的目标是，即使在发生故障的情况下，也能确保动态系统的稳定运行，并维持可接受的性能指标。

容错控制可以根据不同的标准进行分类。

按系统分，可分为线性系统容错控制和非线性系统容错控制按克服故障部件分，可分为执行器、传感器、控制器故障容错控制按设计方法特点分，可分为被动容错控制和主动容错控制。

被动容错控制主要是通过设计固定结构的控制器来应对故障，而主动容错控制则需要在故障发生后重新调整控制器参数，甚至可能改变控制器结构。

容错控制器的设计方法主要包括硬件冗余方法和解析冗余方法两大类。

硬件冗余方法通过在关键子系统中采用双重或更高程度的备份来提高系统可靠性。

解析冗余方法则主要利用系统中不同部件在功能上的冗余性，通过估计和比较来识别和补偿故障。

容错控制理论的发展可以追溯到20世纪70年代，但直到近几十年，随着系统复杂性的增加和故障诊断技术的进步，容错控制才得到了广泛的关注和研究。

目前，容错控制已在航空航天、工业自动化、机器人技术、交通运输等多个领域得到了成功应用，为提高系统可靠性和安全性提供了有效的手段。

尽管容错控制已经取得了显著的进展，但仍面临着许多挑战和机遇。

随着人工智能、大数据等技术的快速发展，未来容错控制有望与这些先进技术相结合，进一步提升系统的智能化和自适应性，为现代复杂系统的可靠运行提供更加坚实的保障。

容错控制知识一知识点1冗余：多余的重复或啰嗦内容，通常指通过多重备份来增加系统的可靠性。

2冗余设计：通过重复配置某些关键设备或部件，当系统出现故障时，冗余的设备或部件介入工作，承担已损设备或部件的功能，为系统提供服务，减少宕机事件的发生。

3冗余设计常用方法有硬件冗余、软件冗余(主要指解析冗余)、功率冗余。

3.1硬件冗余方法是通过对重要部件和易发生故障的部件提供备份，以提高系统的容错性能。

软件冗余方法主要是通过设计控制器来提高整个控制系统的冗余度，从而改善系统的容错性能。

硬件冗余方法按冗余级别不同又可分为元件冗余、系统冗余和混合冗余。

元件冗余通常是指控制系统中关键部件(如陀螺仪和加速度计等)的冗余。

(l)静态“硬件冗余”例如设置三个单元执行同一项任务，把它的处理结果，如调节变量相互比较，按多数原则(三中取二)判断和确定结构值。

采用这种办法潜伏着这样的可能性: 有两个单元同时出错则确定的结果也出错，不过发生这种现象的概率极小。

(2)动态“硬件冗余”即在系统运行之初，并不接入所有元件，而是留有备份，当在系统运行过程中某元件出错时，再将候补装置切换上去，由其接替前者的工作。

这种方法需要注意的问题是切换的时延过程，最好能保持备份元件与运行元件状态的同步。

3.2软件冗余又可分为解析冗余、功能冗余和参数冗余等，软件冗余是通过估计技术或软件算法来实现控制系统的容错性，解析冗余技术是利用控制系统不同部件之间的内在联系和功能上的冗余性，当系统的某些部件失效时，用其余完好部件部分甚至全部地承担起故障部件所丧失的作用，以将系统的性能维持在允许的范围之内。

冗余技术在某种程度上能提高DCS 本身的可靠性和数据通信的可靠性, 但对于整个闭环系统来讲,系统中还包含传感器，变送器，和执行器等现场设备，他们往往工作在恶劣的环境下，出现故障的概率也比较高，软硬件冗余一般无能为力，我们要采用容错控制来提升系统稳定性。

4 容错控制指控制系统在传感器，执行器或元部件发生故障时，闭环系统仍然能够保持稳定，并且能够满足一定的性能指标，则称之为容错控制系统。

控制系统的容错控制作者：田英英来源：《科学与财富》2017年第03期现代科学技术的迅猛发展，以及工业系统的规模、复杂程度和自动化、智能化水平越来越高，使得对控制系统的可用性、费用、效率、可靠性、安全性和环境保护等问题的研究变得越来越重要。

如何提升控制系统的安全性、可靠性是非常重要的一项研究课题。

如果控制系统一旦出现故障，将会导致局部系统，甚至整个系统的运行异常，乃至系统行为的彻底改变，在实际系统的运行中，故障可能会随时发生。

为了保障实际系统的可靠性、可维护性和安全性，迫切需要设计容错控制，容错控制（Fault Tolerant Control， FTC）作为一门交叉性很强的学科领域，包括了很多先进的控制理论，比如：鲁棒控制、智能控制、自适应控制等。

容错控制是指当故障发生时系统具有自我调节能力，使其能够稳定运行并且系统其他性能指标维持在一定容许范围的一类控制。

容错控制的设计思想最早可以追溯到1971年，以Niederlinski提出完整性控制新概念为标志[1]。

1986年9月在美国加州Santa Clara大学举行的控制界专题讨论会正式提出了容错控制的概念。

1985年，Eterno等人将容错控制进行分类，进一步完善容错控制体质。

随着现代控制理论、自适应控制、鲁棒控制以及故障诊断估计技术的发展。

容错控制技术也得到了不断的发展和完善，目前已成为了控制领域的热点研究方向之一。

在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解决方法[2]。

最近文献[2-9]对容错控制的发展做了较为系统的总结。

我国容错控制的研究与国外基本同步，并且我国学者不论是在容错控制的理论研究还是实际应用方面都有杰出的贡献。

1987年叶银忠等学者发表了容错控制方面的论文[10]，并于次年发表了第一篇综述文章[11]。

此后，我国学者周东华、程一、葛建华、胡寿松等又将容错控制技术运用于动态系统及传感器失效研究上。

容错控制技术
嘿，朋友们！今天咱来聊聊容错控制技术，这可真是个了不起的玩意儿啊！
你想想看，我们的生活中到处都有机器和系统在运转，就好像一辆辆汽车在路上跑。

要是这些车没个好的容错机制，稍微出点小毛病就抛锚了，那可不得了！容错控制技术呢，就像是给这些“车”装上了一套超级保险。

比如说电脑吧，我们天天用它，万一它突然出个错，要是没有容错控制技术，那可能我们辛苦做的文档、玩的游戏就全没啦！这多让人抓狂啊！有了容错控制技术，它就能在出错的时候快速调整，尽量减少对我们的影响。

再想想那些大工厂里的复杂生产线，要是中间哪个环节出了问题，没有容错控制技术来帮忙，那整个生产不就乱套了吗？那得造成多大的损失啊！
容错控制技术就像是一个聪明的小卫士，时刻守护着各种系统的正常运行。

它能提前察觉到可能出现的错误，然后想办法应对，让一切都能继续顺顺利利的。

这就好比我们走路，偶尔会被小石子绊一下，但我们能迅速调整步伐，不至于摔倒。

它也不是一下子就能做到完美无缺的呀，就像我们学习新东西，总得有个过程。

研发容错控制技术的那些科学家们，可真是下了大功夫呢！他们不断尝试、改进，就为了让我们能享受到更可靠的技术。

而且啊，容错控制技术还在不断发展呢！随着科技的进步，它会变得越来越厉害。

以后说不定我们的生活中到处都是超级稳定、超级可靠的系统，那该多好啊！我们就可以更放心地使用各种设备和技术啦，不用担心它们随时会出问题。

你说，这容错控制技术是不是很神奇？它虽然看不见摸不着，但却在默默地为我们的生活保驾护航呢！我们真应该好好感谢那些研究它的人，是他们让我们的生活变得更美好、更便捷。

所以啊，可别小看了这容错控制技术哦，它可是我们现代生活中不可或缺的一部分呢！。

课程名学时学分授课教师授课方式开课学期系统与控制理论中的线性代数64 4 赵千川 , 周杰课堂讲授为主春应用软件系统分析与设计48 3 柴跃廷讲课、实验秋计算机软件技术基础48 3 刘义讲课、上机春自动控制原理48 3 慕春棣 , 王诗宓课堂讲授为主秋现代控制理论64 4 王诗宓，钟宜生课堂讲授为主春微处理器应用系统设计64 4 袁涛，陈峰讲课、实验春计算机网络与多媒体应用技术64 4 张曾科，王红讲课、实验秋英文科技论文写作与学术报告16 1 管晓宏课堂讲授为主春矩阵分析与应用48 3 张贤达课堂讲授为主秋线性系统理论48 3 赵千川课堂讲授为主秋现代信号处理48 3 张贤达课堂讲授为主春模式识别48 3 张长水讲课、实验春系统学48 3 张毅、宋靖雁课堂讲授为主秋最优控制32 2 钟宜生课堂讲授为主秋运筹学64 4 范全义课堂讲授为主秋网络化仪表及控制系统32 2 王俊杰 , 彭黎辉课堂讲授为主春自适应控制理论与方法32 2 周东华课堂讲授为主秋系统建模理论与方法32 2 宋靖雁，姚丹亚课堂讲授为主秋信息论基础48 3 李衍达，周杰课堂讲授为主秋非线性系统理论48 3 李春文课堂讲授为主秋系统分析理论及方法32 2 宋靖雁，姚丹亚课堂讲授为主秋自动测试理论48 3 杨士元，王红课堂讲授为主秋系统辨识理论与实践48 3 萧德云，叶昊讲课、实验春最优化理论与应用48 3 崔德光课堂讲授为主秋多传感器融合理论及其应用32 2 彭黎辉，萧德云课堂讲授为主春盲信号处理32 2 陆文凯课堂讲授为主秋人工神经网络48 3 卓晴、王凌课堂讲授为主春秋网络安全32 2 李军课堂讲授为主秋制造过程调度理论及其应用32 2 刘民课堂讲授为主秋产品数据与生命周期管理32 2 张和明课堂讲授为主秋系统与控制中的随机方法32 2 陈曦课堂讲授为主秋科学精神、道德与表达16 1 张学工、李衍达讲课、讨论秋统计学方法及其应用48 3 张中琦讲课秋企业信息化及其系统分析与设计32 2 李清讲课、实验秋技术现代电子学及实验48 3 徐振英实验春多变量系统分析与设计32 2 王诗宓讲课、讨论春高等过程控制32 2 叶昊，王诗宓课堂讲授为主春工业过程建模与优化32 2 熊智华课堂讲授为主春现代检测技术32 2 曹丽，彭黎辉课堂讲授为主春认知科学引论32 2 赵南元课堂讲授为主秋电子技术专题32 2 王红，叶朝辉，赵勇课堂讲授为主春离散事件动态系统32 2 赵千川课堂讲授为主春动态系统故障诊断与容错控制32 2 周东华课堂讲授为主春单片机及其开发系统32 2 袁涛讲课、实验春计算机控制系统48 3 王锦标讲课、实验春多媒体技术与应用32 2 姚丹亚，张佐讲课、实验春智能信息处理专题32 2 周杰等课堂讲授为主秋鲁棒辨识32 2 周彤课堂讲授为主春稳定性理论32 2 李春文课堂讲授为主秋敏捷供需链管理32 2 柴跃廷课堂讲授为主秋互联网信息处理专题32 2 路海明课堂讲授为主春统计学习理论导论32 2 张学工课堂讲授为主秋鲁棒控制32 2 钟宜生课堂讲授为主秋CIMS 应用工程案例32 2 黄必清、刘文煌讲课、讨论秋模糊控制系统的分析与设计48 3 张乃尧讲课、实验春高频数字系统设计方法32 2 李宛洲课堂讲授为主春虚拟制造技术32 2 肖田元课堂讲授为主春智能交通系统概论32 2 姚丹亚、张毅课堂讲授为主春软计算理论及应用32 2 王书宁课堂讲授为主春先进制造系统基础32 2 任守榘课堂讲授为主春宽带信息网络32 2 戴琼海课堂讲授为主春微系统技术32 2 顾利中课堂讲授为主春微弱信号检测及处理32 2 高晋占课堂讲授为主秋企业网络与系统集成48 3 张曾科课堂讲授为主春图象分析与计算机视觉48 3 张大力讲课、实验春控制网络及现场总线32 2 王俊杰，彭黎辉课堂讲授为主秋复杂网络系统的建模与优化48 3 宋士吉讲课、讨论秋嵌入式系统的软硬件设计48 3 慕春棣讲课、实验春约束逻辑与算法设计32 2 黄必清讲课、讨论秋通信技术的研究问题与创业机会32 2 龚维博、袁睿翕讲课、讨论春工业数据统计分析与应用32 2 叶昊讲课、讨论秋通信信号处理48 3 张贤达，邹红星讲课、实验秋计算分子生物学引论48 3 张学工讲课、讨论秋工业数据通信与控制网络48 3 阳宪惠，杨佃福讲课、实验秋综合自动化理论与方法32 2 黄德先，周东华课堂讲授为主春供应链协调和信息的动态性16 1 严厚民，黄必清课堂讲授为主秋生产调度及其智能优化32 2 王凌课堂讲授为主春企业建模理论与方法32 2 范玉顺，张洵课堂讲授为主秋高级 IT 项目管理16 1 李清课堂讲授为主秋并行工程与知识管理32 2 张和明课堂讲授为主秋数字媒体处理及通信32 2 戴琼海课堂讲授为主春现代运动控制理论与技术48 3 赵明国，张涛讲课、实验春多媒体数据智能处理技术32 2 陈峰课堂讲授为主秋生物信息学专题32 2 李梢、李衍达讲课、讨论春数字视频处理及通信32 2 戴琼海课堂讲授为主秋信息服务32 2 李实恭，周杰，蔡弘课堂讲授为主春数字家庭网络技术32 2 杨士元课堂讲授为主秋制造执行系统及其应用48 3 刘民课堂讲授为主秋经营过程重构与 IT 咨询技术32 2 李清课堂讲授为主春数字电视48 3 杜百川课堂讲授为主春控制工程领域学科前沿讲座32 2 杜继宏等课堂讲授为主春复杂系统性能评价和优化32 2 何毓琦，贾庆山讲课、讨论秋摄动分析、马尔可夫决策和强化32 2 曹希仁，陈曦讲课、讨论秋学习智能技术基础32 2 张长水课堂讲授为主春智能交通系统16 1 姚丹亚课堂讲授为主夏现代设计及合作工程学32 2 范玉顺课堂讲授为主夏调度：理论、算法与最近进展32 2 管晓宏课堂讲授为主夏分布系统的群体智能与优化16 1 赵千川课堂讲授为主秋。

第26卷　第6期2000年11月自　动　化　学　报A CT A A U T OM A T ICA SI NI CA V o l.26,N o.6N ov.,20001)国家自然科学基金、“八六三”计划与教育部资助项目.收稿日期　1999-03-08 收修改稿日期　1999-10-11综述容错控制理论及其应用1)周东华(清华大学自动化系　北京　100084)　Ding X (Lausitz 大学电气工程系　德国)(E-mail:ZDH @m ail.au.tsin )摘　要　介绍了经典容错控制的主要研究成果及近年来发展起来的鲁棒容错控制和非线性系统的故障诊断与容错控制,并给出了容错控制的一些典型应用成果.最后,指出了该领域亟待解决的一些热点与难点问题.关键词　动态系统,容错控制,故障诊断,集成,鲁棒性.THEORY AND APPLICATIONS OF FAULTTOLERANT C ONTROLZHOU Donghua(Dep t .of A utomation ,Tsing hua Univer sity ,Beij in g 100084)DING X(De p t .of E E ,L ausitz Univ .,Ger ma ny )Abstract A survey of fault tolerant cont rol for dynamic syst ems is present ed .T hemain result s in classical fault tolerant cont rol are f irstly int roduced.T hen,empha-sis is put on t he robust fault tolerant control as well as the fault diagnosis and f aulttolerant control of nonlinear systems developed in recent years.Some typical appli-cation result s of fault t olerant cont rol are discussed ,and finally ,some open ques-tions are pointed out .Key words Dynamic syst ems,fault t olerant cont rol,fault diagnosis,int egrat ion,robust ness .1　引言现代系统正朝着大规模、复杂化的方向发展,这类系统一旦发生事故就有可能造成人员和财产的巨大损失.如1998年8月到1999年5月的短短的10个月间,美国的3种运载火箭“大力神”、“雅典娜”、“德尔他”共发生了5次发射失败,造成了30多亿美元的直接经济损失,迫使美国航天局于1999年5月下令停止了所有的商业发射计划,对美国的航天计划造成了严重的打击.因此,人们迫切需要提高现代系统的可靠性与安全性.基于解析冗余的动态系统的故障诊断与容错控制则为提高复杂系统的可靠性开辟了一条新的途径.动态系统的容错控制(Fault T olerant Co ntrol,FTC)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.如果在执行器、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,就称此闭环控制系统为容错控制系统[1].1991年,瑞典的Astrom 教授明确指出容错控制具有使系统的反馈对故障不敏感的作用.容错控制方法一般可以分成两大类,即被动容错控制(passiv e FT C)和主动容错控制(ac-tiv e FT C ).容错控制的思想最早可以追溯到1971年,以Niederlinski 提出完整性控制(integral co ntrol)的新概念为标志[2];Siljak [3]于1980年发表的关于可靠镇定的文章是最早开始专门研究容错控制的文章之一.然而,直到1993年,国际上才出现了由现任IFAC 技术过程的故障诊断与安全性专业委员会主席Patton 教授撰写的容错控制的综述文章[1,4],目前尚未见到国外有容错控制的专著问世.值得指出的是,我国在容错控制理论上的研究基本上与国外同步.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[5].1994年葛建华等出版了我国第一本容错控制的学术专著[5].国内发表的这方面的综述文章还有文[6].动态系统的故障检测与诊断(Fault Detection and Diagnosis,FDD)是容错控制的重要支撑技术之一.FDD 技术的发展已大大超前于容错控制的发展,其理论与应用成果也远远多于容错控制方面的成果.目前国际上每年发表的有关FDD 方面的论文与报告在数千篇以上.基于解析冗余的故障诊断技术被公认为起源于Bear d 在1971年发表的博士论文[7].1976年,W illsky 在Auto matica 上发表了第一篇FDD 方面的综述文章[8].Him-melblau 于1978年出版了国际上第一本FDD 方面的学术著作[9].随后报导的这方面的重要综述文章与著作参见文[10～16].我国开始FDD 技术的研究要比国外晚十年左右.清华大学的方崇智教授等从1983年起开始了FDD 技术的研究工作.1985年叶银忠等在《信息与控制》上发表了国内第一篇FDD 技术的综述文章[17].1994年周东华等在清华大学出版社出版了国内第一本FDD 技术的学术专著[18].随后几年出版的学术著作还有文[19]和文[20].国际自动控制界对容错控制的发展给予了高度重视.1986年9月在美国Santa Clara 大学举行的自动控制高峰会议上,把多变量鲁棒、自适应和容错控制列为控制科学面临的富有挑战性的研究课题[21].在国际上,领导着容错控制学科发展的是1993年成立的I-FAC 技术过程的故障诊断与安全性技术委员会.从1991年起IFAC 每三年定期召开FDD 与FT C 方面的国际专题学术会议.在近几届的IFAC 世界大会上,FDD 与FT C 方面的论文在不断增加.据笔者统计,1999年7月在北京召开的第14届IFAC 世界大会上,这方面的学术论文已达60篇,成为了最热门的几个研究方向之一[22～26].容错控制发展至今只有20年左右的历史,因此这是一门新兴交叉学科.促使这门学科789　6期周东华等:容错控制理论及其应用790自 动 化 学 报26卷迅速发展的一个最重要的动力来源于航空航天领域.美国空军从70年代起就不断投入巨资支持容错控制的发展,力求开发出具有高度容错能力的战斗机,甚至在多个翼面受损时,也能够保持战斗机的生存能力.做为一门交叉性学科,容错控制与鲁棒控制、故障检测与诊断、自适应控制、智能控制等有密切的联系.现代控制理论、信号处理、模式识别、最优化方法、决策论、统计数学等构成了容错控制的理论基础.2　经典容错控制方法2.1　被动容错控制被动容错控制大致可以分成可靠镇定,完整性,联立镇定三种类型.2.1.1　可靠镇定使用多个补偿器进行可靠镇定的概念是由Siljak于1980年最先提出的[3],随后一些学者又对其进行了深入研究[29～33].可靠镇定实际上是关于控制器的容错问题.针对单个被控对象,文[29]证明了当采用两个补偿器时,存在可靠镇定解的充要条件是被控对象是强可镇定的(strongly stabilizable),即此对象可以被稳定的控制器所镇定.然而,当被控对象不满足强可镇定条件时,补偿器就会出现不稳定的极点,受过程噪声的影响,闭环系统就会出现不稳定.文[29]方法的另外一个缺点是,即使可靠镇定问题是可解的,怎样设计这两个补偿器也是一个非常困难的问题.文[31]部分解决了上述问题,给出了设计两个动态补偿器的参数化方法,以得到可靠镇定问题的解.此文还给出了把一个稳定的控制器分解成两个并联的动态补尝器,进而实现可靠镇定问题的有效方法,其前提仍然是被控对象必须是强可镇定的.文[32]进一步给出了一个新颖的可靠镇定问题的求解方法,即使对不是强可镇定的多变量系统依然有效,其设计思路是采用多个并列的动态补偿器(可大于两个).与传统方法不同的是,这里每个补偿器需要其它补偿器的输出信号,因此就需要辅助的传感器来观测其它执行器的运行状况[32].综上所述,可靠镇定问题已基本上趋于成熟.2.1.2　完整性完整性问题也称作完整性控制(integral co ntro l),它一直是被动容错控制中的热点研究问题.此问题之所以有很高的应用价值,是因为控制系统中传感器是最容易发生故障的部件.此问题研究的一般都是M IM O线性定常系统[34～39].文[35]研究了关于执行器断路故障的完整性问题,提出了求解静态反馈增益阵的一种简单的伪逆方法.然而,该方法并不能保证故障状态下的闭环系统是稳定的.基于n-线性特征系数理论及参数空间设计方法,文[37]给出了关于执行器断路故障的完整性问题的求解方法.该方法的一个特点是可以在实现完整性的同时,在执行器的各种故障下,都可以将系统的闭环极点配置在预定的区域内.因此,此方法在满足容错控制的条件下还可以兼顾闭环系统的动态特性.该方法的一个缺陷是,当系统的维数大于3时,解析解就不再存在,只能采用CAD技术来求数值解,并可能无解.此外,近年来分散大系统的完整性问题也受到了广泛关注[38,39].由此可见,完整性问题还远未彻底解决.缺乏有效地求解容错控制律的构造性方法,尤其是对高维多变量系统.2.1.3　联立镇定联立镇定有两个主要作用.其一,当被控对象发生故障时,可以使其仍然保持稳定,具有容错控制的功能;其二,对非线性对象,经常采用线性控制方法在某一工作点上对其进行控制.当工作点变动时,对应的线性模型也会发生变化.此时,具有联立镇定能力的控制器就仍然可以镇定被控对象.此问题十几年来已引起了许多学者的关注[40～44].1982年发表在IEEE AC 上的文[41]是最早开始研究联立镇定问题的文章之一.文[43]在此方向上取得了重要进展.基于广义的采样数据保持函数,该文得到了如下结果:a)给出了联立镇定问题有解的充分条件,及其控制律的构造方法;b)给出了在满足联立镇定的基础上同时实现线性二次型最优控制的充分条件,以及相应的控制律的构造方法.2.2　主动容错控制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.多数主动容错控制需要FDD 子系统,少部分不需要FDD 子系统,但需要已知各种故障的先验知识.主动容错控制这一概念正是来源于需要对发生的故障进行主动处理这一事实.众多的FDD 方法可以分成基于定性模型的方法与定量模型的方法两大类.经过近30年的发展,FDD 技术已日趋成熟,所提出的各种方法详见文[7～20,23～28].主动容错控制大致可以分成三大类:1)控制律重新调度;2)控制器重构设计;3)模型跟随重组控制.2.2.1　控制律重新调度这是一类最简单的也是最近几年才发展起来的主动容错控制方法.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,就可以挑选出一个合适的增益参数,得到容错控制律[45～49].显然,采用实时专家系统进行增益调度将会产生很好的效果.这类控制方法特别适合于具有多个冗余机翼的战斗机的容错控制[4,45].2.2.2　控制律重构设计在FDD 单元确诊故障后,在线重组或重构控制律.这是一个目前很受关注的研究方向,现有的成果还比较少[1,50～54].文[51]采用“控制混合器”的概念,设计了一个具有自修复功能的飞行控制系统,当诊断出某个机翼受损时,可以重新分配其应尽的作用到剩余的执行器中去.该文还提出了一种控制器的重新设计技术,通过极大化一个频域的性能指标,来重建控制律.文[54]给出了一种飞机的模型参考容错控制方法,针对飞机的元部件故障,该文用检测滤波器理论设计了相应的故障检测器和故障参数估计器.在此基础上,用Lyapunov 方法设计了模型参考容错控制律,保证在发生内部故障时,飞机稳定运行.该文还提出了一种分析这类容错控制系统稳定性的随机微分方程方法.其主要结果是,由于随机微分方程的参数是随时间的变化而随机变化的,所以此方程可以由马尔可夫过程来描述.文[55]提出了一种基于实时专家系统的容错监督控制方法.其基本思想是,采用基于影响图的实时专家系统监督系统的运行.系统正常运行时,采用模型参考学习自适应控制律,以提高控制精度;当检测到系统已处于不稳定的边沿时,将控制律实时切791　6期周东华等:容错控制理论及其应用792自 动 化 学 报26卷换到一种简单的PI控制器,仍然使系统保持稳定.2.2.3　模型跟随重组控制这类主动容错控制的基本原理是,采用模型参考自适应控制的思想,使得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.当发生故障后,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[56～58].可以看出,这类容错控制是采用隐含的方法来处理故障的.文[59]进一步提出了一种基于模糊学习系统的专家监督控制方法,用于F16战斗机的容错控制.其基本控制器是由参考模型、模糊控制器及模糊学习模块构成的,称为模糊模型参考学习控制器.模糊学习模块使这一控制器具有上述模型跟随重组控制的基本功能.在此基础上,通过与一个FDI模块相结合,可以在线选择合适的参考模型和模糊控制器的输出增益,进一步提高了容错控制能力.因此,该方法也可以看成是模型跟随重组控制与控制律重构设计的一种有机结合.3　鲁棒容错控制不管是主动容错控制,还是被动容错控制,都需要具有关于模型不确定性与外界扰动的鲁棒性.被动容错控制的核心就是鲁棒性,以使闭环系统对各类故障不敏感.目前主动容错控制面临的两个具有挑战性的问题就是[58]:1)基本控制器应具有鲁棒性,在控制律重构期间使系统保持稳定;2)FDD单元应具有鲁棒性,以减少误报与漏报,减少故障检测时间.因此,鲁棒容错控制问题近年来受到了高度重视[1,60～63],已成为目前容错控制领域的热点研究方向.针对连续线性定常系统的传感器失效故障,文[60]采用Lyapunov方法给出了一种具有关于模型不确定性鲁棒性的完整性控制器存在的充分条件,并给出了控制器的设计方法.文[61]讨论了离散线性定常系统的鲁棒完整性控制问题,通过求解Riccati方程,分别得到了一种传感器失效下的鲁棒容错线性调节器的设计方法,以及执行器失效下的鲁棒容错线性调节器的设计方法.文[62]进一步探讨了离散系统的D稳定鲁棒完整性控制问题.所谓的D稳定就是闭环系统的极点都要位于圆形区D( ,r)内.该文给出了关于传感器失效故障的存在D稳定鲁棒完整性控制的充分条件,以及控制律的求解方法.尚待进行的工作是,对高维系统,上述文章所给出的设计方法有待改进,以提高设计效率.4　非线性系统的故障诊断与容错控制由上面的分析可知,被动容错控制均不采用FDD技术,因此也就不能提供系统的故障信息.在发生故障后,与系统正常运行时相比,被动容错控制系统的性能(至少是动态性能)会有所下降.另外,经典的被动容错控制讨论的对象都是线性系统.为了克服上述缺陷,文[64,65]将FDD技术与被动容错控制相结合,提出了一种关于非线性系统传感器故障的集成故障诊断与容错控制方法.此方法的优点是:1)可处理多种传感器故障,包括断路、增益衰减、加性与乘性偏差等,因此克服了传统的完整性控制问题只能处理失效故障的缺陷;2)在发生故障时,闭环系统的性能指标几乎不受影响;3)适用于一大类(带随机噪声的)非线性系统;4)不管对低维还是高维系统,设计方法都同样简单[18,66].此外,文[27]采用非线性状态空间模型,提出了一种关于都市交通网络系统的容错控制方法,在系统发生某些故障时,可以保持系统的稳定;文[67]提出了一种基于预测控制的执行器容错控制方法,并用某一飞机操纵系统的模型进行了仿真研究;文[68]给出了一种基于自适应神经元网络的非线性系统的容错控制方法,通过采用一个辅助的回路,来补偿系统中较大的输入输出扰动.5　容错控制理论的应用成果尽管容错控制理论不像FDD 技术那样已经在众多的领域取得了大量应用成果,但仍然取得了一些重要的应用成果,由表1列出.表1　容错控制典型应用实例一览表序号应用对象采用方法发表时间文献1航天飞机控制律重构设计1982[74]2飞机模型跟随重组控制1988,1988[69,70]控制律重构设计1985,1988,1995,1998[52,77][78]控制律重新调度1989[45]3核反应堆控制律重构设计1991,1995[71,72]4液位系统完整性控制1991[73]5国产歼击机模型跟随重组控制1991[53]6地空导弹模型跟随重组控制1993[75]7精馏塔控制律重构设计1994[76]8人造卫星控制律重构设计1997[79]9液体冷却系统控制律重构设计1997[79]10化学反应釜集成故障诊断与容错控制1998[65]表1表明,容错控制取得应用成果最多的对象是飞机;主动容错控制的应用成果要远远多于被动容错控制所取得的成果,其中控制律重构设计方法应用得最多.这些应用成果的分布情况也从一个侧面验证了Patton 教授的一个著名论断(见文[4],pp.1050),即“离开了FDD 单元,容错控制所能发挥的作用就会非常有限,只能对一些特殊类型的故障起到容错的作用”.因此可以肯定,主动容错控制在总体上要优于被动容错控制.6　结束语容错控制做为一门新兴的交叉学科,其学科意义就是要尽量保证动态系统在发生故障时仍然可以稳定运行,并具有可以接受的性能指标.因此,容错控制为提高复杂动态系统的可靠性开辟了一条新的途径.由于任何系统都不可避免地会发生故障,因此,容错控制也可以看成为是保证系统安全运行的最后一道防线.除第3节介绍的鲁棒容错控制以外,当前容错控制中的热点问题还有以下一些.793　6期周东华等:容错控制理论及其应用794自 动 化 学 报26卷1)快速FDI方法的研究.故障检测与分离都需要一定时间,造成了一定的时延,这段时延越短,对控制律的重构设计就越有利.这段时延有可能会产生非常严重的稳定性问题,除非原来的基础控制器本身就具有很高的完整性和很强的鲁棒性[4].2)鲁棒故障检测与鲁棒控制的集成设计问题.鲁棒故障检测的目标是,在一定的模型不确定性下,检测出尽可能小的故障;鲁棒控制的目标是使得控制器对模型不确定性与微小的故障不敏感.因此,这两者存在着矛盾,而它们都是鲁棒容错控制的基本问题.所以说,把鲁棒故障检测与鲁棒控制进行统一设计,把上面的两种目标进行折衷,已成为热点研究课题[24].3)控制律的在线重组与重构方法.做为主动容错控制的一种最重要的方法,控制律的在线重组与重构已成为当前容错控制领域的热点研究方向之一.只有在被控对象发生变动时,实时调整控制器的结构与参数,才有可能达到最优的控制效果[56～58].4)　主动容错控制中的鲁棒性分析与综合方法.在主动容错控制中,需要同时做到:a)基础控制器具有鲁棒性,b)故障检测与诊断算法具有鲁棒性,c)重组或重建的控制律具有鲁棒性.这三个方面的相互作用使得对主动容错控制的整体鲁棒性分析变得非常困难[4].除了上述热点研究方向以外,因现有的理论结果还非常有限,容错控制领域还有一些难点问题.1)　非线性系统的容错控制.这里的主要难点是:a)对非线性系统缺乏一般性的控制器综合方法;b)非线性系统的FDD问题还没有得到完全解决.2)　时滞动态系统的容错控制.非线性时滞系统的容错控制还没有任何结果,线性时滞系统容错控制的结果还非常有限.3)　高维、时变多变量系统的完整性控制问题.此问题目前还没有任何结果,经典的完整性问题研究的对象都是线性定常系统.4)　自适应容错控制问题.其学术上的难点是,自适应控制系统是本质非线性系统,因此自适应容错控制属于非线性容错控制的范畴.此问题也还没有任何结果.经过20多年的发展,容错控制已经取得了很大的进展,并正处于快速发展之中.但容错控制还远未成熟,还没有建立起完整的理论体系,尤其在应用方面还有许多问题有待解决,还需要大家继续努力,可谓任重而道远.参考文献1　Patton R J.Robus tnes s is sues in fault tolerant control.In:Pr oc.of In ternational 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容错纠错的成果运用容错纠错的成果运用摘要：容错纠错技术是一种能够提高系统的可靠性和稳定性的重要技术。

本文将介绍容错纠错技术的发展历程、原理及其在各个领域的应用。

对于计算机系统、通信系统和控制系统等关键领域而言，容错纠错技术的运用不仅能够减少系统故障率，提高系统的可靠性，还能够减少系统的维护和运营成本，提高用户的满意度。

关键词：容错纠错技术、可靠性、故障率、维护成本、用户满意度一、引言在当今信息化时代，计算机系统、通信系统和控制系统等关键领域对于系统的可靠性和稳定性有着极高的要求。

然而，由于各种原因，系统难免会出现故障。

为了保证系统的正常运行，提高系统的可靠性，人们对容错纠错技术进行了深入研究和探索。

容错纠错技术是一种通过检测和修复系统故障的方法，能够提高系统的可靠性和稳定性，降低故障率，减少业务中断时间，提高用户满意度。

二、容错纠错技术的发展历程容错纠错技术的发展可以追溯到上世纪五六十年代，当时主要集中在航空航天等高可靠性领域的系统中。

由于计算机系统、通信系统和控制系统的发展，容错纠错技术逐渐在各个领域中得到应用。

随着半导体技术、集成电路技术的不断进步，容错纠错技术也得到了极大的发展。

目前，容错纠错技术已经成为保证系统稳定性和可靠性的重要手段。

三、容错纠错技术的原理容错纠错技术的核心原理是通过多种方法对系统进行检测和修复，以防止或纠正系统故障。

常见的容错纠错技术包括重复冗余、错误检测码、错误纠正码、备份和恢复等。

这些技术可以在硬件和软件层面上进行应用，以提高系统的可靠性和稳定性。

例如，在计算机系统中，可以通过冗余计算、软件备份和恢复等方式来实现容错。

当系统出现故障时，可以自动切换到备份系统，以保障系统的正常运行。

在通信系统中，可以通过冗余传输、差错检测和纠正等方式来实现容错。

当数据传输过程中发生错误时，可以自动进行差错检测和纠正，以保证数据的完整性和正确性。

在控制系统中，可以通过冗余控制、故障切换等方式来实现容错。