控制系统的容错控制

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\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。1994年，葛建华等出版了我国第一部容错控制专著[12]。国内陆续出版了多本有关故障诊断和容错控制专著[13-16]。

传统的控制器均是在执行器和传感器不发生故障的假设提出的。但事实上，绝大部分控制系统，执行器和传感器是容易发生故障的两个部件。特别是执行器，由于存在可动部件，更容易出现各种故障。此时，传统的控制策略就不能很好地维持系统的正常性能，甚至会导致系统的不稳定。为了提高系统运行的可靠性，有必要考虑设计即使故障出现，也能消除或者抵抗故障影响而使系统保持好的性能、仍然能达到预期控制目标的控制器，也即所谓的FTC技术。因而，故障容错控制对安全性能要求高的系统，如飞行器控制系统，原子能控制对象，高速磁悬浮列车等，就显得极为重要。在容错控制的发展历程中，Eterno等人在1985年将容错控制分为被动故障容错控制（Passive Fault Tolerant Control，PFTC）和主动故障容错控制（Active Fault Tolerant Control，AFTC）。被动容错控制的概念源于它对系统故障进行被动处理，通常既不需要事先的故障检测和诊断，也不需要控制律重构。主动容错控制是一种基于获得的故障诊断信息对系统进行在线重组的控制策略。由于AFTC能对故障做出极有针对性的处理，所以相对于PFTC，具有更强的容错能力。在故障估计的基础上，就要在线实时调整控制器去调节出现的故障，使得出现故障后的系统仍然具有一定的期望性能。从目前大多数的研究成果来看，容错控制也存在着几个关键性问题：

（1）绝大部分的容错控制是直接将在线获取的故障加入到附加控制器中，通过附加的控制器来补偿故障的影响。但这种方法欠缺控制器设计整体上的考虑。

（2）都是在单一故障下设计的容错控制器，两种故障同时考虑的成果几乎没有。

（3）目前许多容错控制器都是在假设状态可测的条件下设计完成的，由于在实际中状态可能不易测得，这大大降低了设计方法的实用性。

（4）在实际系统，非线性系统相比线性系统来说更具普遍性和复杂性，而其容错控制的研究目前并没有出现太多成果。

参考文献

[1] Niederlinski A. A heuristic approach to the design of linear multivariable interacting control systems. Automatica， 1971， Vol. 7（6）： 691-701.

[2] Parton R.J. Fault-tolerant control： the 1997 situation. IFAC SAFEPROCESS， 97 Aug. 1997， Kingston Upon Hull， UK， 1033-1055.

[3] Mallmoud M.M.， Jiang J. & Zhang Y.M. Active fault tolerant control systems： stochastic analysis and synthesis. Berlin， Heidelberg： Springer， 2003.

[4] Isermann R. Fault-diagnosis systems： an introduction from fault detection to fault tolerance. Berlin： Springer， 2006.

[5] Blanke M.， Kinnart M.， Lunze J. & Staroswieeki M. Diagnosis and fault-tolerant control. 2nd edition， Heidelberg： Springer， 2006.

[6] Noura H.， Theilliol D.， Ponsart J.C. & Chamseddine A. Fault-tolerant control systems， design and Practical applications. London： Springer， 2009.

[7] Dueard G.J.J. Fault-tolerant flight control and guidance systems， Practical methods for small unmanned aerial vehicles. London： Springer， 2009.

[8] Jiang J. Fault-tolerant control systems-an introductory overview. Acta Automatica Sinica， 2005， Vol. 31（l）： 161-174.

[9] Gao Z.W.， Cecati C. & Ding S.X. A survey of fault diagnosis and fault-tolerant techniques-Part I： fault diagnosis With model-based and signal-based approaches. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2015， Vol. 62（6）： 3757-3767.

[10] 叶银忠，潘日芳，蒋慰孙. 多变量稳定容错控制器的设计问题.第一届过程控制科学论文报告会论文集[C]，1987.

[11] 叶银忠，潘日芳，蒋慰孙. 控制系统的容错技术的回顾与展望. 第二届过程控制科学论文报告会论文集[C]，1988.

[12] 葛建华，孙优贤. 容错控制系统的分析与综合. 杭州：浙江大学出版社，1994.

[13] 闻新，张洪钱，周露. 控制系统的故障诊断和容错控制. 北京：机械工业出版社，1998.

[14] 周东华，叶银忠. 现代故障诊断与容错控制. 北京：清华大学出版社，2000.

[15] 胡昌华，许化龙. 控制系统故障诊断与容错控制的分析和设计.北京：国防工业出版社，2000.

[16] 姜斌，杨浩. 飞控系统主动容错控制技术综述. 系统工程与电子技术， 2007， Vol. 29（12）：2106-2110.