周振超(1982-)男，辽宁海城人，辽宁工业大学在读研究生，研究方向为智能控制。

　　基金项目：国家自然科学基金资助项目(60674056);辽宁省教育厅资助项目(05L183)

　　




    摘要：容错控制为提高系统的可靠性、可维护性和有效性开辟了一条新途径。文中对容错控制系统的控制器设计作了详细综述，简要叙述了各种方法的优点及存在的问题，并探讨了容错控制发展趋势。

　　关键词：容错控制系统;控制器设计;系统重构

　　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

　　在实际的控制系统中，通常出现一些无法预料的故障，如传感器失效、执行机构中断等。因此，需设计一种容错控制系统，使得系统在传感器失效或执行机构中断时仍能保持正常的控制效果，这种对系统故障具有强鲁棒性的控制器，称之为容错控制器。

　　容错控制系统设计主要包含两个问题：故障诊断机构的设计和容错控制器的设计。本文对容错控制器的设计进行了详细的综述。

　　容错控制理论应用十分广泛，在航空、航天、核电站、工业机器人及化工等领域的控制系统设计中均得到了应用与发展。

　　1 容错控制器设计

　　容错控制器是当系统发生故障后仍能保证系统稳定，并且当故障处理后取得良好效果的控制器。容错控制器的设计方法，依具体的系统及故障的不同有很大的差异。下面计论几种主要的容错控制器设计方法.

　　1.1 控制器重构设计

　　控制器重构设计即在确诊故障后，在线重组或重构控制律。设计方法有两种：状态反馈控制器重构设计和动态补偿控制器重构设计。控制器重构是一个目前很受关注的研究方法，现有的成果还比较少。文献[3]采用一个“控制混合器”的概念，设计了一个具有自修复功能的飞行控制系统。当诊断出某个机翼受损时，可以重新分配其应尽的作用到剩余的执行器中去。文献[4]提出了一种控制器的重新设计技术，通过极大化一个频域的性能指标来重建控制律。文献[5]给出了一种飞机的模型参考容错控制方法。针对飞机的元部件故障，该文用检测滤波器理论设计了相应的故障检测器和故障参数估计器。在此基础上，用Lyapunov方法设计了模型参考容错控制律，保证在发生内部故障时，飞机稳定运行。文献[4]提出了一种分析这类容错控制系统稳定性的随机微分方程方法。其主要结果是，由于随机微分方程的参数是随时间的变化而随机变化的，因此此方程可以由马尔可夫过程来描述。

　　1.2 控制器的完整性设计

　　故障系统的完整性控制器设计是指设计同一个鲁棒控制器，使得系统在正常系统和故障条件下该控制器都能保持系统稳定或获得良好的控制性能。完整性控制设计也有称之为同时稳定的控制器设计问题。

　　在多变量控制系统设计中，可将系统极点最优配置到复平面上的某一理想区域，从而使系统具有良好的动态特性。然而在实际应用中，控制对象的参数常发生变化，甚至发生故障，例如：某些执行器的失效，可能使系统失去预期的性能指标，在这种情况下即使某些开环稳定的系统，闭环后也可能失去稳定性。如果在部分执行器失效时整个系统仍能稳定工作，则称该系统具有完整性。关于控制系统的完整性设计问题近年来引起了国内外学者的普遍关注。国内专家提出了一种利用Lyapunov方程优化配置系统极点的直接方法，使所设计的系统具有完整性、最优性和良好的动态特性。近年来，分散大系统的完整性问题受到了广泛关注。针对执行器断路故障，基于Lyapunov方法得到了分散系统满足完整性的一个充分条件。由于此条件只是充分条件，因此即使此条件不满足，也不能肯定完整性控制律不存在。因此，该方法缺乏构造性。

　　参数空间设计方法是考虑闭环系统特征多项式参数在未知区间独立变化，其特征根要稳定区域变化的设计方法。1978年便给出了区间多项式稳定的初步结果。1985年之后又引入了多项式多面体的概念和边缘定理，解决了参数区间稳定性判定问题，线性系统稳定设计方法是将控制系统表达为离散参数集的多重模型，并根据各个参数对应的传递关系构造线性全状态反馈公共控制器，使其具有离散参数集合的控制系统稳定特征。

　　完整性问题还远未彻底解决，缺乏有效地求解容错控制律的构造性方法，尤其是对高维多变量系统。

　　1.3 主动的容错控制方案

　　80年代后期的实际应用发现，使用故障监测与分离装置的重构控制器如果不考虑报警延时和误报警率，容错控制系统在控制切换前后难以得到良好的控制性能。针对这个问题，分别研究了跳跃随机系统的容错控制问题。为了描述故障发生引起的参数跳跃，建立了混合数学模型，参数被描述为马尔可夫随机过程。基于这个随机模型，分别在随机最优控制指标和均方渐近收敛指标下，利用动态规划和求解随机Riccati方程的方法建立了容错控制。但是，由于引入了参数随机过程，容错控制的求解变得十分复杂。

　　1.4 鲁棒容错控制

　　不管是主动容错控制，还是被动容错控制，都需要具有关于模型不确定性与外界扰动的鲁棒性。这是容错控制可以应用于实际系统的重要前提之一。因此鲁棒容错控制问题近年来受到了高度重视，已成为目前容错控制领域的热点研究方向。针对连续线性定常系统的传感器失效故障，采用Lyapunov方法给出了一种具有关于模型不确定性鲁棒性的完整性控制器存在的充分条件，并给出了控制器的设计方法。讨论离散线性定常系统的鲁棒完整性控制问题，通过求解Riccati方程，分别得到了一种传感器失效下的鲁棒容错线性调节器的设计方法，以及执行器失效下的鲁棒容错线性调节器的设计方法。

　　1.5 多模型自适应控制方法

　　Athans得出多模型自适应控制方法，直接利用状态估计产生多模型分布棍串，然后利用每一参数求得LQG最优控制分量，在概率分布空间上生成随机控制输入。Watanabe对多模型自适应控制算法做了深入的研究，并利用这个方法构造了不确定传感器和执行器的多模型递阶自适应容错控制。但是由于多模型自适应控制算法十分复杂，它的全面稳定性分析一直未得到充分的研究结果。

　　1.6 基于人工智能的容错控制器设计

　　当前的控制系统变得越来越复杂，不少情况下要想获得系统的精确数学模型是非常困难的，而基于人工智能的方法不需要精确的数学模型，因此，具有很好的应用前景。人工智能的方法主要有递阶智能，人工神经网络和模糊推理。

　　1.7 基于专家系统的容错控制器设计

　　在实际的控制系统中执行器的故障是多种多样的，很难找到一种统一的容错控制规律，使得控制系统在各种条件(正常或故障)下获得良好的运行效果。因此，为了对复杂故障系统实施控制，人们利用人工智能的研究成果，发展基于专家系统的容错控制设计方案，并致力于应用在复杂故障控制系统中。该设计方案的关键问题是知识库与数据库，知识库内容由实际被控对象的部分先验知识和故障监测器实时检测的故障信息组成，一般由一些规则表示;数据库内容可以是预先设定或控制系统运行过程中获取，它为容错控制推理提供必要的依据。

　　1.8 非线性系统的集成故障诊断与容错控制

　　被动容错控制均不采用故障检测和诊断技术，因此，也就不能提供系统的故障信息。在发生故障后，与系统正常运行时相比，被动容错控制系统的性能会有所下降。另外，经典的被动容错控制讨论的对象都是线性系统。为了克服上述缺陷，将故障检测和诊断技术与被动容错控制相结合，提出了一种关于非线性系统传感器故障的集成故障诊断与容错控制方法。此方法的优点是：可处理多种传感器故障，包括：断路、增益衰减、加性与乘性偏差等，因此，克服了传统的完整性控制问题只能处理失效故障的缺陷;在发生故障时，闭环系统的性能指标几乎不受影响;适用于一大类(带随机噪声的)非线性系统;不管对低维还是高维系统，设计方法都同样简单。

　　2 容错控制理论的发展趋势

　　从以上的总结可以看到，容错控制研究领域存在许多问题，解决这些问题即是今后的发展趋势，主要表现在以下几个方面。

　　研究快速FDI方法。故障检测和分离造成的时延越短，对控制律的重构重建设计就越有利，过长的时延可能造成系统严重的稳定性问题，除非原来的基础控制器本身就具有很高的完整性和很强的鲁棒性。

　　研究在线重构重建方法。作为主动容错控制的一种最重要的方法，控制律的在线重建和重构成为当前容错控制领域的热点研究方向之一。只有在被控对象发生变化时，实时调整控制器的结构与参数，才有可能达到最优的控制效果。

　　主动容错控制中的鲁棒性分析与综合方法。在主动容错控制中，需要同时做到：基础控制器具有鲁棒性;故障检测与诊断算法具有鲁棒性;重组或重构的控制律具有鲁棒性。这三个方面的相互作用使得对主动容错控制的整体鲁棒性分析变得非常困难。

　　时滞动态系统的容错控制。非线性时滞系统的容错控制还没有任何结果，线性时滞系统容错控制的结果非常有限。造成此种现象的一个理论上的原因是，时滞系统的故障检测和识别问题还没有得到解决。但时滞动态系统的容错控制又是一个非常重要的理论问题，并具有很高的应用价值，这是因为许多实际系统均具有时滞。

　　高维、时变多变量系统的完整性控制问题。此问题目前还没有任何结果，经典的完整性问题研究的对象都是线性定常系统。

　　随机系统的容错控制问题。

　　3 结束语

　　容错控制是一项涉及人工智能、计算机科学、自动化科学及相关生产领城等多个学科综合领域的技术集成，它的研究和应用，不仅将有效地提高相关工业生产领城的自动化水平。促进工业仪表与自动化装置的技术进步，同时，也将为控制理论与人工智能等学科的结合，提供新的生长点。

　　实现容错控制是提高动态系统可靠性的有效手段。近年来关于动态系统的容错控制研究在理论上已渐趋完善并已得到了实际应用。但总的来讲其研究处于起步阶段，尚未形成较完整的理论体系，有待研究的问题还很多。关于容错控制系统的整体稳定性和鲁棒性的分析研究结果非常有限。未来的研究将以容错控制系统的综合与分析为主，有关时变系统、非线性系统的容错控制器的设计也将是今后的主要研究方向。

　　其他作者：张健(1963-)，男，博士，教授，现任辽宁工业大学电子与信息学院院长。王立红(1971-)，女，辽宁辽阳人，副教授，就职于辽宁工业大学自动化教研室。王猛(1983-)，男，辽宁营口人，辽宁工业大学在读研究生，研究方向为智能控制。

　　参考文献：

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　　[5] Srichander R,Walker B K.Stochastic Stability Analysis for Continuous-time Fault Tolerant Control System.Int.J. Control ,1993,57(3):433-452.

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