容错控制及应用

多体机械系统的建模、控制与容错杨浩;张泽君;姜斌【摘要】M ultibody mechanical systems have been a difficult aspect in the control field in recent years . The paper firstly introduces the general structure and characteristics of multibody mechanical systems .Then ,frequently used modeling methods are analyzed andcompared .Advantages and drawbacks of these methods are given afterwards .Moreover ,the paper gives a detailed review of recent results on dif-ferent control schemes and fault-tolerant control methods applied to the multibody mechanical systems . Finally ,some perspectives are provided .%多体机械系统是近年来控制领域研究的难点.本文首先介绍了多体机械系统的结构和基本特性.其次,总结了近年来多体机械系统动力学常用的建模方法,分析了各种建模方案的优缺点.进一步介绍了近年来针对多体机械系统所采用的不同控制方法.最后,列举了容错控制在多体机械系统中的应用,并对多体机械系统控制未来的发展趋势进行了展望.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2017(049)005【总页数】10页(P612-621)【关键词】多体系统;建模理论;控制;容错控制【作者】杨浩;张泽君;姜斌【作者单位】南京航空航天大学自动化学院 ,南京 ,210016;南京航空航天大学自动化学院 ,南京 ,210016;南京航空航天大学自动化学院 ,南京 ,210016【正文语种】中文【中图分类】O313.7随着控制系统规模的日益增大和机器人技术的迅速发展，各类复杂机械系统大规模涌现，如车辆、各类航天器、机械臂、机器人及人体科学等。

永磁同步电机模型预测控制及容错控制策略的研究永磁同步电机模型预测控制及容错控制策略的研究摘要：随着工业自动化技术的不断进步，永磁同步电机作为一种高效能、高动态响应、高功率因数的主动传动设备，得到了广泛的应用。

然而，永磁同步电机在实际运行中也面临着各种问题和异常情况的挑战。

本文以永磁同步电机的模型预测控制和容错控制策略为研究对象，对其进行分析和探讨，并提出相关解决方案。

一、引言永磁同步电机是一种高性能的电力驱动器，广泛应用于工业自动化领域。

其具有响应速度快、高效能、高功率因数等特点，但在实际运行中也会遇到一些异常情况，如电网故障、扰动等，需要进行相关的控制和管理。

二、永磁同步电机的模型预测控制研究永磁同步电机的模型预测控制是一种先进的控制策略，可以有效地解决电机模型不精确、外部扰动等问题。

该方法通过建立电机的数学模型，并根据该模型进行状态和输出的预测，从而实现更精确的控制。

在永磁同步电机的模型预测控制中，首先需要建立电机的数学模型。

该模型需要考虑电机的动态响应特性、电机转子位置、转子磁场等因素。

然后，通过模型预测，确定电机的最优控制量，并对其进行相应调节。

最后，将调节后的控制量输入到电机的控制器中，以实现对电机的精确控制。

三、永磁同步电机的容错控制策略研究在实际运行中，永磁同步电机可能会遇到电网故障、电机故障等异常情况。

为了保证电机的稳定运行，需要针对这些异常情况制定相应的容错控制策略。

容错控制策略通常包括故障检测、故障诊断和故障恢复三个阶段。

首先，需要对电机进行故障检测，通过监测电机的输入输出信号，判断电机是否出现异常。

然后，针对电机故障进行诊断，确定故障类型和位置。

最后，根据故障诊断结果，采取相应的故障恢复措施，保证电机的稳定运行。

四、相关解决方案的提出针对永磁同步电机的模型预测控制和容错控制策略，本文提出了一些相关解决方案。

在模型预测控制方面，可以采用基于最优化算法的模型预测控制方法，以提高控制精度和响应速度。

控制系统中的故障诊断与故障恢复技术作为控制系统的一部分，故障诊断与故障恢复技术起着至关重要的作用。

它们能够及时检测出系统中的故障，并采取相应的措施进行修复，确保整个系统能够正常运行。

本文将介绍控制系统中常用的故障诊断与故障恢复技术，并对它们的原理和应用进行详细的阐述。

一、故障诊断技术1.1 传感器故障检测传感器在控制系统中起着采集和传递信息的作用，因此其正常运行对于系统的稳定性和控制精度至关重要。

传感器故障检测技术通过实时监测传感器的输出信号，判断传感器是否工作异常，并为后续的故障处理提供准确的诊断依据。

1.2 信号处理与特征提取通过对传感器输出信号的处理和特征提取，可以获取更加准确的故障判断结果。

常用的信号处理方法包括滤波、傅里叶变换等，而特征提取则通过提取信号的统计特性或频谱特性等来识别故障。

这些方法可以对故障信号进行降噪和分析，为故障诊断提供可靠的依据。

1.3 故障模式识别故障模式识别技术通过建立故障数据库和运用机器学习等算法，实现对不同故障模式的自动识别。

根据传感器输出信号的特征与标准故障特征进行比对，可以准确判断当前系统中出现的故障模式，并提供相应的处理方法。

这种技术在实际应用中能够大大提高故障诊断的准确性和效率。

二、故障恢复技术2.1 自动切换和重启当系统出现故障时，自动切换和重启是一种常用的故障恢复技术。

通过设置备用的控制单元或系统，并实时监测主控制单元的运行状态，当主控制单元故障时，自动切换到备用单元，实现系统的自动恢复。

2.2 容错控制容错控制技术通过使用冗余元件或采取冗余设计，实现在主元件故障时能够正常运行并保持系统的稳定性。

常用的容错控制技术有冗余存储器、冗余传感器和冗余执行器等。

这些技术能够在主要元件故障时快速响应，确保系统的持续可用性。

2.3 异常处理与保护在控制系统中，异常处理与保护是故障恢复的重要环节。

通过对异常情况的及时识别和处理，可以最大程度地减少故障对系统的影响，并保护系统不受进一步的损坏。

容错与冗余技术容错控制的研究虽然面临着空前的挑战，但近些年来，相关研究领域，如鲁棒控制理论，模糊控制，神经网络控制研究的不断深入和发展，也给容错控制的研究带来了良好的机遇，提供了充分的条件。

而计算机控制技术、人工智能等技术的飞速发展，使得容错控制技术在实际工程中应用的可能性变得越来越大。

1.1 容错概念的提出提高系统的可靠性一般有两种办法：1、采用缜密的设计和质量控制方法来尽量减少故障出现的概率。

2、以冗余资源为代价来换取可靠性。

利用前一种方法来提高系统的可靠性是有限的，要想进一步的提高必须采用容错技术。

容错控制技术在国外发展的比较早，是由冯·诺依曼提出的。

随着八十年代微型计算机的迅速发展和广泛应用，容错技术也得到了飞速的发展，容错技术被应用到各个环境中。

我国的容错技术现在发展的也很迅速，一些重要的工作场合如航天、电厂等现在都采用了容错技术。

所谓容错：就是容许错误，是指设备的一个或多个关键部分法生故障时，能够自动地进行检测与诊断，并采取相应措施，保证设备维持其规定功能，或牺牲性能来保证设备在可接受范围内继续工作。

错误一般分为两类：第一类是先天性的固有错，如元器件生产过程中造成的错、线路与程序在设计过程中产生的错。

这一类的错误需对其拆除、更换或修正，是不能容忍的。

第二类的错后天性的错，它是由于设备在运行中产生了缺陷所导致的故障。

这种故障有瞬时性、间歇性和永久性的区别。

容错技术是提高系统可靠性的重要途径。

常采用的容错方法有硬件容错、软件容错、信息容错和时间容错。

1.1.1 智能容错的定义智能容错IFT(Intelligent Fault-Tolerance)：就是设备在运行过程中一个或多个关键部件发生故障或即将发生故障之前，利用人工智能理论和方法，通过采取有效措施，对故障自动进行补偿、抑制、消除、修复，以保证设备继续安全、高效、可靠运行，或以牺牲性能损失为代价，保证设备在规定的时间内完成其预定功能。

飞行器故障诊断与容错控制技术研究随着科技的不断发展，飞机作为一种重要的运输工具，越来越受到人们的喜爱。

然而，由于长期的使用以及各种不可预知的因素，飞机也会面临各种故障，这不仅会影响飞机的飞行安全，还会严重影响乘客的生命安全。

因此，在飞行器设计过程中，飞行器故障诊断与容错控制技术应成为研究的重点。

飞行器故障诊断飞行器故障诊断是指当飞行器出现故障时，对该故障进行检测和诊断的过程。

在飞机设计时，必须考虑到可能出现的故障及其危害，制定相应的故障检测方案。

飞机故障检测可以分为基于信号的检测和基于数据的检测两种。

基于信号的故障检测通常采用传感器对飞机各部分的物理参数进行监测，发现异常情况后通过信号处理进行故障判断。

这种方法的优点是系统简单，成本低，缺点是只能探测在传感器测量范围内的故障，不能探测到表面上看起来正常但实际已经失效的部件。

而基于数据的故障检测则是通过对整个飞机状态进行模型预测，将实际的状态与预测的状态进行比较，如果存在差异就说明存在异常情况。

这种方法的优点是可以探测到传感器测量范围外的故障，缺点是成本高且处理过程比较复杂。

飞行器容错控制容错控制是指当发生故障时，能够按照某种机制保证飞机的飞行安全。

容错控制通常需要在飞机自身、飞行控制系统和飞行员之间建立一个多级检测和保护系统，对出现的故障进行快速响应和解决。

在飞行器设计过程中，通常会通过冗余设计来实现容错控制。

冗余设计是指设计多个相同的部件来担负相同的功能，一旦某一部件损坏，其余的部件就可以接替其工作，保证飞机的正常运行。

除了冗余设计之外，还可以通过软件容错机制实现容错控制。

软件容错机制是指在飞行控制系统的软件程序中设计容错代码，当控制程序发生错误时，系统可以自动启动容错代码，使飞机继续安全运行。

飞行器故障诊断与容错控制技术的应用飞行器故障诊断与容错控制技术是目前飞行器设计中的重要组成部分。

这些技术的应用可以提高飞机的安全性和可靠性，为乘客提供更安全的出行体验。

高可靠性机器人系统的故障诊断与容错控制研究摘要：机器人系统在各种应用场景中发挥着重要的作用，然而，由于运行环境的复杂性和系统本身的复杂性，机器人系统很容易遭遇故障。

为了确保机器人系统的高可靠性，故障诊断与容错控制成为了重要的研究方向。

本文综述了近年来在高可靠性机器人系统故障诊断与容错控制方面的研究进展，包括故障诊断方法、容错控制策略和评估指标等。

1. 引言机器人系统可应用于各种领域，如工业自动化、医疗服务、农业等。

然而，机器人系统在运行过程中很容易遭遇故障，而这些故障可能导致系统不能正常工作，甚至产生危险。

因此，为了确保机器人系统的高可靠性，故障诊断与容错控制成为了重要的研究方向。

2. 高可靠性机器人系统的故障诊断方法故障诊断是指通过检测和分析机器人系统的状态信息，确定其是否存在故障，并找出故障的原因和位置。

近年来，研究人员提出了多种故障诊断方法，包括基于模型的方法、基于数据驱动的方法和基于知识的方法。

2.1 基于模型的方法基于模型的故障诊断方法是利用机器人系统的数学模型进行故障诊断。

这种方法需要精确的模型，因此对模型的建立和参数的估计要求较高。

常用的模型包括物理模型、统计模型和混合模型。

基于模型的方法在故障诊断方面具有较高的准确性和有效性，但对于复杂系统建模较为困难。

2.2 基于数据驱动的方法基于数据驱动的故障诊断方法是通过分析机器人系统的运行数据来进行故障诊断。

这种方法不需要系统模型，但需要大量的故障数据用于训练和测试。

常用的数据驱动方法包括统计学方法、机器学习方法和人工智能方法。

基于数据驱动的方法适用于复杂系统的故障诊断，但需要大量的数据和计算资源。

2.3 基于知识的方法基于知识的故障诊断方法是利用专家知识和规则对机器人系统进行故障诊断。

这种方法不需要系统模型和大量的数据，但需要专家知识的获取和表示。

常用的知识表示方法包括规则库、专家系统和本体论。

基于知识的方法具有较高的可解释性，但对专家知识的依赖较强。