控制系統(tǒng)的容錯(cuò)控制

田英英

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及工業(yè)系統(tǒng)的規(guī)模、復(fù)雜程度和自動(dòng)化、智能化水平越來越高，使得對(duì)控制系統(tǒng)的可用性、費(fèi)用、效率、可靠性、安全性和環(huán)境保護(hù)等問題的研究變得越來越重要。如何提升控制系統(tǒng)的安全性、可靠性是非常重要的一項(xiàng)研究課題。如果控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致局部系統(tǒng)，甚至整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行異常，乃至系統(tǒng)行為的徹底改變，在實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行中，故障可能會(huì)隨時(shí)發(fā)生。為了保障實(shí)際系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性和安全性，迫切需要設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制，容錯(cuò)控制（Fault Tolerant Control， FTC）作為一門交叉性很強(qiáng)的學(xué)科領(lǐng)域，包括了很多先進(jìn)的控制理論，比如：魯棒控制、智能控制、自適應(yīng)控制等。容錯(cuò)控制是指當(dāng)故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)能力，使其能夠穩(wěn)定運(yùn)行并且系統(tǒng)其他性能指標(biāo)維持在一定容許范圍的一類控制。容錯(cuò)控制的設(shè)計(jì)思想最早可以追溯到1971年，以Niederlinski提出完整性控制新概念為標(biāo)志[1]。1986年9月在美國加州Santa Clara大學(xué)舉行的控制界專題討論會(huì)正式提出了容錯(cuò)控制的概念。1985年，Eterno等人將容錯(cuò)控制進(jìn)行分類，進(jìn)一步完善容錯(cuò)控制體質(zhì)。隨著現(xiàn)代控制理論、自適應(yīng)控制、魯棒控制以及故障診斷估計(jì)技術(shù)的發(fā)展。容錯(cuò)控制技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展和完善，目前已成為了控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一。在1997年，Patton教授撰寫了容錯(cuò)控制方面比較有代表性的綜述文章，全面闡述了容錯(cuò)控制所面臨的問題和基本解決方法[2]。最近文獻(xiàn)[2-9]對(duì)容錯(cuò)控制的發(fā)展做了較為系統(tǒng)的總結(jié)。我國容錯(cuò)控制的研究與國外基本同步，并且我國學(xué)者不論是在容錯(cuò)控制的理論研究還是實(shí)際應(yīng)用方面都有杰出的貢獻(xiàn)。1987年葉銀忠等學(xué)者發(fā)表了容錯(cuò)控制方面的論文[10]，并于次年發(fā)表了第一篇綜述文章[11]。此后，我國學(xué)者周東華、程一、葛建華、胡壽松等又將容錯(cuò)控制技術(shù)運(yùn)用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)及傳感器失效研究上。1994年，葛建華等出版了我國第一部容錯(cuò)控制專著[12]。國內(nèi)陸續(xù)出版了多本有關(guān)故障診斷和容錯(cuò)控制專著[13-16]。

傳統(tǒng)的控制器均是在執(zhí)行器和傳感器不發(fā)生故障的假設(shè)提出的。但事實(shí)上，絕大部分控制系統(tǒng)，執(zhí)行器和傳感器是容易發(fā)生故障的兩個(gè)部件。特別是執(zhí)行器，由于存在可動(dòng)部件，更容易出現(xiàn)各種故障。此時(shí)，傳統(tǒng)的控制策略就不能很好地維持系統(tǒng)的正常性能，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，有必要考慮設(shè)計(jì)即使故障出現(xiàn)，也能消除或者抵抗故障影響而使系統(tǒng)保持好的性能、仍然能達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)的控制器，也即所謂的FTC技術(shù)。因而，故障容錯(cuò)控制對(duì)安全性能要求高的系統(tǒng)，如飛行器控制系統(tǒng)，原子能控制對(duì)象，高速磁懸浮列車等，就顯得極為重要。在容錯(cuò)控制的發(fā)展歷程中，Eterno等人在1985年將容錯(cuò)控制分為被動(dòng)故障容錯(cuò)控制（Passive Fault Tolerant Control，PFTC）和主動(dòng)故障容錯(cuò)控制（Active Fault Tolerant Control，AFTC）。被動(dòng)容錯(cuò)控制的概念源于它對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行被動(dòng)處理，通常既不需要事先的故障檢測(cè)和診斷，也不需要控制律重構(gòu)。主動(dòng)容錯(cuò)控制是一種基于獲得的故障診斷信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線重組的控制策略。由于AFTC能對(duì)故障做出極有針對(duì)性的處理，所以相對(duì)于PFTC，具有更強(qiáng)的容錯(cuò)能力。在故障估計(jì)的基礎(chǔ)上，就要在線實(shí)時(shí)調(diào)整控制器去調(diào)節(jié)出現(xiàn)的故障，使得出現(xiàn)故障后的系統(tǒng)仍然具有一定的期望性能。從目前大多數(shù)的研究成果來看，容錯(cuò)控制也存在著幾個(gè)關(guān)鍵性問題：

（1）絕大部分的容錯(cuò)控制是直接將在線獲取的故障加入到附加控制器中，通過附加的控制器來補(bǔ)償故障的影響。但這種方法欠缺控制器設(shè)計(jì)整體上的考慮。

（2）都是在單一故障下設(shè)計(jì)的容錯(cuò)控制器，兩種故障同時(shí)考慮的成果幾乎沒有。

（3）目前許多容錯(cuò)控制器都是在假設(shè)狀態(tài)可測(cè)的條件下設(shè)計(jì)完成的，由于在實(shí)際中狀態(tài)可能不易測(cè)得，這大大降低了設(shè)計(jì)方法的實(shí)用性。

（4）在實(shí)際系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)相比線性系統(tǒng)來說更具普遍性和復(fù)雜性，而其容錯(cuò)控制的研究目前并沒有出現(xiàn)太多成果。

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