容錯控制匯報

1、復雜非線性系統(tǒng)容錯控制匯報人 張婧瑜電子電氣工程系2012年11月30日1研究意義 隨著工業(yè)自動化程度的提高，現(xiàn)代系統(tǒng)正朝著大規(guī)模、復雜化方向發(fā)展，如果傳感器、執(zhí)行器、控制器及控制過程本身存在的微小故障，不僅可能導致整個系統(tǒng)性能惡化，甚至會造成系統(tǒng)崩潰，從而造成人員傷亡和物質財產的損失；傳統(tǒng)反饋控制方法不能滿足故障系統(tǒng)的性能要求；人們迫切需要提高現(xiàn)代系統(tǒng)的可靠性與安全性，必須設計一種控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)在傳感器失效或執(zhí)行機構中斷，甚至被控對象出現(xiàn)故障時仍能保持正常的控制效果。2研究內容容錯控制系統(tǒng)：指在執(zhí)行器、傳感器或元部件發(fā)生故障時， 閉環(huán)控制系統(tǒng)仍然是穩(wěn)定的，并仍然具有較理想的特性。容錯控制

2、（fault-tolerant control）的目標是當系統(tǒng)的某些部件出現(xiàn)故障或失效時，基于系統(tǒng)部件功能上的冗余性，在適當降低某些性能指標的前提下，整個控制系統(tǒng)仍能維持穩(wěn)定，從而提高系統(tǒng)的可靠性。3課題內容容錯控制的研究被動容錯控制 采用固定的控制器來確保閉環(huán)系統(tǒng)對特定的故障不敏感，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。主動容錯控制 故障發(fā)生后,根據(jù)所期望的特性重新設計一個控制系統(tǒng)，并使整個系統(tǒng)穩(wěn)定的同時達到可接受的性能。新的控制系統(tǒng)的性能與原系統(tǒng)相比有可能會有所下降。4二者有著本質不同:被動容錯：所有系統(tǒng)故障系統(tǒng)設計階段已預先想到：一旦投運，系統(tǒng)結構將不再發(fā)生變化，即使發(fā)生故障，系統(tǒng)仍應維持在期望的運行狀態(tài)。因

3、此系統(tǒng)必須保證其工作在當初進行設計時所考慮到的所有可能狀態(tài)才具有容錯能力，對未知故障不具備容錯能力，且要兼顧多類故障，保守性較大，控制性能不盡人意。主動容錯：故障發(fā)生后根據(jù)系統(tǒng)的性能要求重新調整控制器的參數(shù), 或改變控制器的結構。因此，主動容錯不僅能夠對事先未考慮到的故障實現(xiàn)容錯，而且可使故障發(fā)生后的系統(tǒng)在新的容錯控制器支配下獲得較為滿意的控制效果。因此，主動容錯控制的研究更受人們的青睞。5主動容錯控制的定義 主動容錯控制指在控制系統(tǒng)中引入故障診斷（FDD）與控制器重構等輔助機構，在線檢測故障，根據(jù)檢測到的故障信息和所期望的特性，重新調整控制器的參數(shù)或者對控制器的結構重新設計。 新的控制系統(tǒng)性

4、能可能會有所下降，但至少要保證系統(tǒng)穩(wěn)定。6 主動容錯的類型： 控制律重新調度（調整控制器參數(shù)） 控制律重構設計（改變控制器結構） 模型跟隨重組（自適應） 重組和重構均可以采用離線或在線方式進行實際研究中，這兩個概念區(qū)分并不是很明顯，有時會交替使用。 控制律調度 這是一類最簡單的主動容錯控制方法，稱之為增益調度，也稱為控制律重組。 其基本思想是離線計算出各種故障下所需的合適的控制律的增益參數(shù)，并列表儲存在計算機中。當基于在線FDD技術得到了最新的故障信息后，就可以從表中選出一個合適的增益參數(shù)，得到容錯控制律。 控制率重組法結構簡單，比較易于設計和采用，具有較好的應用前景；但控制律重新調度的操作很

5、大程度上受FDD單元魯棒性的影響。 控制律重構設計 控制律重構設計也叫控制器重構設計，是根據(jù)故障系統(tǒng)的新環(huán)境，在FDD單元確診故障后，重新設置系統(tǒng)的工作點，并給出可改善系統(tǒng)性能的新控制律。 這種結構或參數(shù)的重構可以從已計算好的表中讀取一組新的控制算法或增益，也可以實時地再設計控制器。 重構的目標是使重構后的系統(tǒng)在性能上盡量接近原系統(tǒng)，即使性能有所下降也應保持在可接受范圍內。 模型參考自適應控制的基本思想是：使被控過程的輸出始終自適應地跟蹤參考模型的輸出，而不管是否發(fā)生了故障。因此，這種容錯控制不需要FDD單元。 當故障發(fā)生后，實際被控過程會隨之發(fā)生變動，控制律就會相應地自適應地進行重組，保持被

6、控對象對參考模型輸出的跟蹤。這類容錯控制是采用隱含方法來處理故障的。 模型參考自適應控制的優(yōu)點是可以自適應地跟隨一些故障并進行容錯控制，該方法主要針對一些非線性系統(tǒng)。7 主動容錯控制通常需要一個FDD子系統(tǒng)，運行時先在線診斷出故障的詳細信息，進而做出相應的對策以進行容錯。 由于故障的在線檢測與診斷以及新的控制律的求解不僅費事，而且可靠性難以保證，甚至可能導致容錯失效。于是提出了基于模型的主動容錯控制的方案。8容錯控制的工業(yè)應用依然不能脫離被控對象的數(shù)學模型。然而在多數(shù)情況下，被控對象的數(shù)學模型難以精確建立，或在正常運行期間模型的參數(shù)可能發(fā)生變化，因此容錯思想解決實際問題時，首先需要建立被控對象

7、的數(shù)學模型。 傳統(tǒng)的辨識建模方法有機理建模法、階躍響應曲線建模法，后來采用系統(tǒng)辨識技術，根據(jù)系統(tǒng)實際運行或實驗過程中取得的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷地更改模型參數(shù)使其接近于對應的系統(tǒng)參數(shù)，使模型輸出在給定的準則下逼近系統(tǒng)的輸出值。但對本質非線性系統(tǒng)，上述建模方法難以付諸應用目前常見的建模方法有：模糊算法、回歸分析、神經網絡、支持向量機（SVM）、部分最小二乘等方法9 將多模型的思想應用于主動容錯控制容錯控制方案一 多模型不像PID可以獨立構成一種控制方法，而是需要與其他控制方法結合使用，例如，自適應控制，預測控制，內模控制，逆系統(tǒng)等等。10問題的提出 主動容錯控制在故障發(fā)生后需要重新調整控制器的參數(shù)，

8、也可能需要改變控制器的結構。 典型的主動容錯控制通常有一個FDD子系統(tǒng)，在運行時先在線診斷出故障的詳細信息，進而做出相應的對策，以達到容錯的目的。由于故障的在線檢測與診斷以及新的控制律的求解不僅費時，而且可靠性難以保證，甚至可能導致容錯失效。 根據(jù)故障先驗知識，針對事先可預見的故障，離線求解其對應的控制律；當在線檢測或診斷出系統(tǒng)發(fā)生故障時，只需調度與之匹配的容錯控制律即可保證系統(tǒng)一定的控制性能。11 圖1 基于支持向量機的主動容錯控制方框圖12系統(tǒng)性能容忍度指標 系統(tǒng)性能容忍度指標是為了在線檢測系統(tǒng)是否發(fā)生故障而提出的，定義如下：其中N為滑動數(shù)據(jù)窗的長度，與系統(tǒng)正常運行時的調節(jié)時間有關， y(

9、k)為實時系統(tǒng)輸出， 為系統(tǒng)期望輸出。系統(tǒng)性能容忍度指標的閾值為相應的可接受的系統(tǒng)性能。當某時刻此指標大于性能容忍度指標設定閾值時，認為系統(tǒng)發(fā)生故障13模型失配度指標 模型失配度指標是為了在系統(tǒng)運行狀態(tài)發(fā)生改變時，系統(tǒng)能在模型庫中匹配到合適的運行模式而提出的，定義如下：其中I是模型庫中模型種類的集合，s=0,l，2,I-1，s=0表示系統(tǒng)的正常模式，s=l，2, I-1則表示可能的故障模式y(tǒng)(k)為實時系統(tǒng)輸出， 為此時刻模型庫中按第s個運行模式模型的預測值。14當模型失配度指標未超過設定閾值 時，系統(tǒng)從模型庫中取得 的相應的模型即認為是系統(tǒng)狀態(tài)改變后新的運行狀態(tài)的模型，調用與之匹配的控制律以實現(xiàn)容錯控制;當模型庫中已有模型與系統(tǒng)之問的模型失配度指標超過設定閥值 時，認為系統(tǒng)發(fā)生了新的故障，需要在線為新故障運行狀態(tài)建立新的故障模型