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    周振超(1982-)男，遼寧海城人，遼寧工業大學在讀研究生，研究方向為智能控制。

　　基金項目：國家自然科學基金資助項目(60674056);遼寧省教育廳資助項目(05L183)

　　




    摘要：容錯控制為提高系統的可靠性、可維護性和有效性開辟了一條新途徑。文中對容錯控制系統的控制器設計作了詳細綜述，簡要敘述了各種方法的優點及存在的問題，并探討了容錯控制發展趨勢。

　　關鍵詞：容錯控制系統;控制器設計;系統重構

　　Abstract: The fault-tolerant control opens a new way for improving the reliability, maintainability and validity of the system. The design of fault controller of the fault control system is demonstrated in this paper. The various means are briefly introduced, and their advantages and disadvantages are analyzed. The development trend of fault control is also discussed.

　　Key words: Fault Tolerant Control System;Design Controller; System reconstruction

　　在實際的控制系統中，通常出現一些無法預料的故障，如傳感器失效、執行機構中斷等。因此，需設計一種容錯控制系統，使得系統在傳感器失效或執行機構中斷時仍能保持正常的控制效果，這種對系統故障具有強魯棒性的控制器，稱之為容錯控制器。

　　容錯控制系統設計主要包含兩個問題：故障診斷機構的設計和容錯控制器的設計。本文對容錯控制器的設計進行了詳細的綜述。

　　容錯控制理論應用十分廣泛，在航空、航天、核電站、工業機器人及化工等領域的控制系統設計中均得到了應用與發展。

　　1 容錯控制器設計

　　容錯控制器是當系統發生故障后仍能保證系統穩定，并且當故障處理后取得良好效果的控制器。容錯控制器的設計方法，依具體的系統及故障的不同有很大的差異。下面計論幾種主要的容錯控制器設計方法.

　　1.1 控制器重構設計

　　控制器重構設計即在確診故障后，在線重組或重構控制律。設計方法有兩種：狀態反饋控制器重構設計和動態補償控制器重構設計。控制器重構是一個目前很受關注的研究方法，現有的成果還比較少。文獻[3]采用一個“控制混合器”的概念，設計了一個具有自修復功能的飛行控制系統。當診斷出某個機翼受損時，可以重新分配其應盡的作用到剩余的執行器中去。文獻[4]提出了一種控制器的重新設計技術，通過極大化一個頻域的性能指標來重建控制律。文獻[5]給出了一種飛機的模型參考容錯控制方法。針對飛機的元部件故障，該文用檢測濾波器理論設計了相應的故障檢測器和故障參數估計器。在此基礎上，用Lyapunov方法設計了模型參考容錯控制律，保證在發生內部故障時，飛機穩定運行。文獻[4]提出了一種分析這類容錯控制系統穩定性的隨機微分方程方法。其主要結果是，由于隨機微分方程的參數是隨時間的變化而隨機變化的，因此此方程可以由馬爾可夫過程來描述。

　　1.2 控制器的完整性設計

　　故障系統的完整性控制器設計是指設計同一個魯棒控制器，使得系統在正常系統和故障條件下該控制器都能保持系統穩定或獲得良好的控制性能。完整性控制設計也有稱之為同時穩定的控制器設計問題。

　　在多變量控制系統設計中，可將系統極點最優配置到復平面上的某一理想區域，從而使系統具有良好的動態特性。然而在實際應用中，控制對象的參數常發生變化，甚至發生故障，例如：某些執行器的失效，可能使系統失去預期的性能指標，在這種情況下即使某些開環穩定的系統，閉環后也可能失去穩定性。如果在部分執行器失效時整個系統仍能穩定工作，則稱該系統具有完整性。關于控制系統的完整性設計問題近年來引起了國內外學者的普遍關注。國內專家提出了一種利用Lyapunov方程優化配置系統極點的直接方法，使所設計的系統具有完整性、最優性和良好的動態特性。近年來，分散大系統的完整性問題受到了廣泛關注。針對執行器斷路故障，基于Lyapunov方法得到了分散系統滿足完整性的一個充分條件。由于此條件只是充分條件，因此即使此條件不滿足，也不能肯定完整性控制律不存在。因此，該方法缺乏構造性。

　　參數空間設計方法是考慮閉環系統特征多項式參數在未知區間獨立變化，其特征根要穩定區域變化的設計方法。1978年便給出了區間多項式穩定的初步結果。1985年之后又引入了多項式多面體的概念和邊緣定理，解決了參數區間穩定性判定問題，線性系統穩定設計方法是將控制系統表達為離散參數集的多重模型，并根據各個參數對應的傳遞關系構造線性全狀態反饋公共控制器，使其具有離散參數集合的控制系統穩定特征。

　　完整性問題還遠未徹底解決，缺乏有效地求解容錯控制律的構造性方法，尤其是對高維多變量系統。

　　1.3 主動的容錯控制方案

　　80年代后期的實際應用發現，使用故障監測與分離裝置的重構控制器如果不考慮報警延時和誤報警率，容錯控制系統在控制切換前后難以得到良好的控制性能。針對這個問題，分別研究了跳躍隨機系統的容錯控制問題。為了描述故障發生引起的參數跳躍，建立了混合數學模型，參數被描述為馬爾可夫隨機過程。基于這個隨機模型，分別在隨機最優控制指標和均方漸近收斂指標下，利用動態規劃和求解隨機Riccati方程的方法建立了容錯控制。但是，由于引入了參數隨機過程，容錯控制的求解變得十分復雜。

　　1.4 魯棒容錯控制

　　不管是主動容錯控制，還是被動容錯控制，都需要具有關于模型不確定性與外界擾動的魯棒性。這是容錯控制可以應用于實際系統的重要前提之一。因此魯棒容錯控制問題近年來受到了高度重視，已成為目前容錯控制領域的熱點研究方向。針對連續線性定常系統的傳感器失效故障，采用Lyapunov方法給出了一種具有關于模型不確定性魯棒性的完整性控制器存在的充分條件，并給出了控制器的設計方法。討論離散線性定常系統的魯棒完整性控制問題，通過求解Riccati方程，分別得到了一種傳感器失效下的魯棒容錯線性調節器的設計方法，以及執行器失效下的魯棒容錯線性調節器的設計方法。

　　1.5 多模型自適應控制方法

　　Athans得出多模型自適應控制方法，直接利用狀態估計產生多模型分布棍串，然后利用每一參數求得LQG最優控制分量，在概率分布空間上生成隨機控制輸入。Watanabe對多模型自適應控制算法做了深入的研究，并利用這個方法構造了不確定傳感器和執行器的多模型遞階自適應容錯控制。但是由于多模型自適應控制算法十分復雜，它的全面穩定性分析一直未得到充分的研究結果。

　　1.6 基于人工智能的容錯控制器設計

　　當前的控制系統變得越來越復雜，不少情況下要想獲得系統的精確數學模型是非常困難的，而基于人工智能的方法不需要精確的數學模型，因此，具有很好的應用前景。人工智能的方法主要有遞階智能，人工神經網絡和模糊推理。

　　1.7 基于專家系統的容錯控制器設計

　　在實際的控制系統中執行器的故障是多種多樣的，很難找到一種統一的容錯控制規律，使得控制系統在各種條件(正常或故障)下獲得良好的運行效果。因此，為了對復雜故障系統實施控制，人們利用人工智能的研究成果，發展基于專家系統的容錯控制設計方案，并致力于應用在復雜故障控制系統中。該設計方案的關鍵問題是知識庫與數據庫，知識庫內容由實際被控對象的部分先驗知識和故障監測器實時檢測的故障信息組成，一般由一些規則表示;數據庫內容可以是預先設定或控制系統運行過程中獲取，它為容錯控制推理提供必要的依據。

　　1.8 非線性系統的集成故障診斷與容錯控制

　　被動容錯控制均不采用故障檢測和診斷技術，因此，也就不能提供系統的故障信息。在發生故障后，與系統正常運行時相比，被動容錯控制系統的性能會有所下降。另外，經典的被動容錯控制討論的對象都是線性系統。為了克服上述缺陷，將故障檢測和診斷技術與被動容錯控制相結合，提出了一種關于非線性系統傳感器故障的集成故障診斷與容錯控制方法。此方法的優點是：可處理多種傳感器故障，包括：斷路、增益衰減、加性與乘性偏差等，因此，克服了傳統的完整性控制問題只能處理失效故障的缺陷;在發生故障時，閉環系統的性能指標幾乎不受影響;適用于一大類(帶隨機噪聲的)非線性系統;不管對低維還是高維系統，設計方法都同樣簡單。

　　2 容錯控制理論的發展趨勢

　　從以上的總結可以看到，容錯控制研究領域存在許多問題，解決這些問題即是今后的發展趨勢，主要表現在以下幾個方面。

　　研究快速FDI方法。故障檢測和分離造成的時延越短，對控制律的重構重建設計就越有利，過長的時延可能造成系統嚴重的穩定性問題，除非原來的基礎控制器本身就具有很高的完整性和很強的魯棒性。

　　研究在線重構重建方法。作為主動容錯控制的一種最重要的方法，控制律的在線重建和重構成為當前容錯控制領域的熱點研究方向之一。只有在被控對象發生變化時，實時調整控制器的結構與參數，才有可能達到最優的控制效果。

　　主動容錯控制中的魯棒性分析與綜合方法。在主動容錯控制中，需要同時做到：基礎控制器具有魯棒性;故障檢測與診斷算法具有魯棒性;重組或重構的控制律具有魯棒性。這三個方面的相互作用使得對主動容錯控制的整體魯棒性分析變得非常困難。

　　時滯動態系統的容錯控制。非線性時滯系統的容錯控制還沒有任何結果，線性時滯系統容錯控制的結果非常有限。造成此種現象的一個理論上的原因是，時滯系統的故障檢測和識別問題還沒有得到解決。但時滯動態系統的容錯控制又是一個非常重要的理論問題，并具有很高的應用價值，這是因為許多實際系統均具有時滯。

　　高維、時變多變量系統的完整性控制問題。此問題目前還沒有任何結果，經典的完整性問題研究的對象都是線性定常系統。

　　隨機系統的容錯控制問題。

　　3 結束語

　　容錯控制是一項涉及人工智能、計算機科學、自動化科學及相關生產領城等多個學科綜合領域的技術集成，它的研究和應用，不僅將有效地提高相關工業生產領城的自動化水平。促進工業儀表與自動化裝置的技術進步，同時，也將為控制理論與人工智能等學科的結合，提供新的生長點。

　　實現容錯控制是提高動態系統可靠性的有效手段。近年來關于動態系統的容錯控制研究在理論上已漸趨完善并已得到了實際應用。但總的來講其研究處于起步階段，尚未形成較完整的理論體系，有待研究的問題還很多。關于容錯控制系統的整體穩定性和魯棒性的分析研究結果非常有限。未來的研究將以容錯控制系統的綜合與分析為主，有關時變系統、非線性系統的容錯控制器的設計也將是今后的主要研究方向。

　　其他作者：張健(1963-)，男，博士，教授，現任遼寧工業大學電子與信息學院院長。王立紅(1971-)，女，遼寧遼陽人，副教授，就職于遼寧工業大學自動化教研室。王猛(1983-)，男，遼寧營口人，遼寧工業大學在讀研究生，研究方向為智能控制。

　　參考文獻：

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