容错控制

无人机系统自平衡容错控制与故障诊断摘要：目前，容错控制与故障诊断系统的应用在国内外都进行了广泛的研究并已经逐步得到应用，如关注于武器装备系统的故障预测与健康管理，提出针对武器装备进行视情维修的检测方式，极大减少了装备维护成本，文献提出一种给予只能决策理论的故障预测方法，在装备出故障前即可诊断出可能发现故障的时间与部位，防患故障于未然，提高了装备的安全性，其余研究还有集成控制航天器的管理，飞行器故障监测系统，集成化的故障预测系统以及相关的容错控制与故障诊断研究工作。

关键词：无人机系统；自平衡；容错控制；故障诊断1自平衡理论建模1.1自平衡理论自平衡理论是Hull等人在1943年通过研究生物的觅食、生存等行为，而提出的基于内驱力的知名理论，该理论指出所有的行为都可被理解为两种结果：1）原始内驱力：原始内驱力是内在的，它存在的目的是保护生物体的生存，比如饥饿或者口渴，都是生物体生存的必要因素。

2）次要内驱力：次要内驱力是在满足原始内驱力的过程中形成的，即在满足原始内驱力的基础之上，生物的目的性、好奇性等，它存在的目的是促进生物体的进化。

Hull等认为，原始内驱力和次要内驱力目的都是保证生物进化生存下去，更为重要的是，它们是自我平衡的。

也就是说，对于一个生物系统，存在完美的“设定点”，并且原始内驱力与次要内驱力都是为生物体接近该设定点而服务的。

例如，当生物体的某部分机能损坏时，它可能预先感到自身的状态从而提前采取措施（如感到寒冷，它可能会发抖或移向阳光来增加体温）。

换言之，自我平衡使得生物具有一种“回归平衡”的能力，即在环境改变、机体受损等破坏生物体稳态时达到平衡的功能。

1.2无人机自平衡理论模型首先确定无人机系统的平衡点，即无人机所有机载设备处于出厂完好状态并能正常工作的点，此时无人机能够充分发挥自身性能。

在确定无人机平衡点之后需要构建自平衡函数来判断无人机是否处于平衡点附近，若处于平衡点附近则代表无人机完好无故障，此时根据自平衡函数记录设备的剩余寿命，即无人机处于“已平衡”状态，在飞行时仅正常考虑原始、次要内驱力并在执行完任务后不需要进行过多的健康管理；若自平衡函数判断无人机处于“未平衡”状态，则需要根据无人机机载传感器信息判断未平衡的装备并进行故障预测，并在飞机完成任务后进行健康管理；若无人机处于无平衡状态，此时无人机不能继续进行使用，如发动机故障等致命故障，此时优先考虑次要内驱力，即保证任务完成而忽略原始内驱力（如无人机在执行任务中遇到致命故障，此时基于自平衡函数的容错控制与故障诊断对故障预测判断无人机无法安全返航，则将无人机作为自杀式武器进行使用，这是根据无人机的“机上无人”特性对容错控制与故障诊断的合理应用，即无法保证无人机安全进行健康管理的情况下，优先执行任务）。

容错控制系统培训2011年8月3.1 容错控制系统3.1.1 容错控制概述容错原是计算机系统设计技术中的一个概念，指当系统在遭受到内部环节的局部故障或失效后，仍然可以继续正常运行的特性。

将此概念引入到控制系统中，产生了容错控制的概念。

容错技术是指系统对故障的容忍技术，也就是指处于工作状态的系统中一个或多个关键部分发生故障时，能自动检测与诊断，并能采取相应措施保证系统维持其规定功能或保持其功能在可接受的范围内的技术。

如果在执行器、传感器、元部件或分系统发生故障时，闭环控制系统仍然是稳定的，仍具有完成基本功能的能力，并仍然具有较理想的动态特性，就称此闭环控制系统为容错控制系统。

3.1.2 容错控制分类根据不同的产品和客户需求，容错控制系统分类方式有多种，重点介绍两种：⏹按设计分类：被动容错控制、主动容错控制；⏹按实现分类：硬件容错、功能容错和软件容错。

3.1.2.1按设计分类的容错控制1 被动容错控制介绍被动容错控制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。

2 主动容错控制介绍主动容错控制是在故障发生后需要重新调整控制器参数，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。

3.1.2.2按实现分类的容错控制1 硬件容错技术容错控制系统中通常采用的余度技术，主要涉及硬件方面，是指对计算机、传感器和执行机构进行硬件备份，如图3所示。

在系统的一个或多个关键部件失效时，通过监控系统检测及监控隔离故障元件，并采用完全相同的备用元件来替代它们以维持系统的性能不变或略有降级(但在允许范围之内)。

硬件冗余技术虽然可以提高系统的可靠性，但增加了系统的备用部件，提高了控制系统的成本，也增加了元件故障的概率。

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。

风电偏航系统的容错设计与容错控制方法研究随着全球能源需求的不断增长，风能作为一种清洁、可再生的能源正逐渐成为人们关注的热点。

风力发电作为风能利用的主要手段之一，其发电效率和安全性受到风电机组的控制系统质量和性能的直接影响。

在风电机组中，偏航系统是确保风轮转向风向并保持稳定运行的关键部件之一。

然而，由于复杂的运行环境和设备故障可能性，偏航系统偶尔会出现故障。

因此，研究风电偏航系统的容错设计和容错控制方法成为了当今风电行业的重要任务。

容错设计通常是通过优化系统架构和增强系统鲁棒性来实现对故障的容错能力。

在风电偏航系统中，采用备用或冗余的控制器和传感器是常用的容错设计方案之一。

例如，可以使用多个位置传感器来监测风向，以提高风轮朝向的可靠性和精度。

此外，引入冗余的控制器可以在主控制器发生故障时启动备用控制器，从而实现对偏航系统的容错控制。

除了容错设计，容错控制方法也是解决风电偏航系统故障的关键。

容错控制方法可以根据系统状态和故障信息，采取相应的控制策略来保证风电机组的安全运行。

一种常用的容错控制方法是基于传感器冗余的容错控制方法。

这种方法利用多个传感器来监测系统状态，当某个传感器发生故障时，可以利用其他正常工作的传感器来纠正系统状态，保证风电机组的稳定运行。

另一种常见的容错控制方法是基于控制器冗余的容错控制方法。

在这种方法中，备用或冗余控制器可以在主控制器发生故障时接管控制任务。

这需要在系统设计阶段对备用控制器进行合理的配置和切换策略的制定。

此外，还需要考虑到备用控制器与主控制器之间的信息交换和同步问题，以确保切换过程的平稳进行。

除了传感器冗余和控制器冗余的方法，还可以使用基于模型的容错控制方法来保证风电机组的安全运行。

在这种方法中，通过建立风电机组的数学模型，并在模型中引入故障，可以利用故障检测和诊断方法来判断故障的发生和类型。

然后，根据检测和诊断结果，采取相应的控制策略来保证风电机组的稳定运行。

总之，风电偏航系统的容错设计和容错控制方法对于保证风电机组的安全运行至关重要。

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。

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。