容错控制的研究现状.docVIP

容错控制的研究现状 容错控制研究的是当系统发生故障是的控制问题，因此必须首先明确故障的定义。故障可以定义为：“系统至少一个特性或参数出现较大偏差，超出了可以接受的范围，此时系统性能明显低于正常水平，难以完成系统预期的功能”[28]。而一直以来，对容错控制并没有一个明确的定义。这里给出一个比较容易理解的概念，即所谓容错控制是指当控制系统中的某些部件发生故障时，系统仍能按期望的性能指标或性能指标略有降低（但可接受）的情况下，还能安全地完成控制任务。容错控制的研究，使得提高复杂系统的安全性和可靠性成为可能。容错控制是一门新兴的交叉学科，其理论基础包括统计数学、现代控制理论、信号处理、模式识别、最优化方法、决策论等，与其息息相关的学科有故障检测与诊断、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等。 容错控制方法一般可以分成两大类，即被动容错控制(passive FTC)和主动容错控制(active FTC)。被动容错控制通常利用鲁棒控制技术使得整个闭环系统对某些确定的故障具有不敏感性，其设计不需要故障诊断，也不必进行控制重组，其一般具有固定形式的控制器结构和参数。但常常由于故障并不是经常发生的，其设计难免过于保守，并且其性能也不可能是最优的，而且一旦出现不可预知故障，系统的性能甚至稳定性都可能无法保障[29-31]。但它可以避免在主动容错控制当中由于需要检测诊断故障以及重组控制律造成的时间滞后，而这在时间要求严格的系统控制中是很重要的，因此被动容错控制在故障检测和估计阶段是必须的，它可以保证在系统切换至主动容错控制之前系统的稳定性[29-31]。主动容错控制可以对发生的故障进行主动处理，其利用获知的各种故障信息，在故障发生后重新调整控制器参数，甚至在某些情况下需要改变控制器结构。主动容错控制大多需要故障诊断（FDD）子系统，这正是其优于被动容错控制之处。Patton教授有一著名论断，即“离开了FDD单元，容错控制所能发挥的作用就会非常有限，只能对一些特殊类型的故障起到容错的作用”[20]。 （1）被动容错控制 被动容错控制基本思想就是在不改变控制器和系统结构的条件下，从鲁棒控制思想出发设计控制系统，使其对故障不敏感。其特点是不管故障发生不发生，它都采用不变的控制器保证闭环系统对特定的故障具有鲁棒性。因此被动容错控制不需要故障诊断单元，也就是说不需要任何实时的故障信息。从处理不同类型故障分，被动容错控制有可靠镇定、联立镇定和完整性三种类型。 可靠镇定是针对控制器故障的容错控制。其研究思想始于 Siljak 在 1980 年[2]提出的使用多个补偿器并行镇定一个被控对象。之后一些学者又对该方法进行了深入研究[32-34]。文[32]针对单个被控对象证明了当采用两个补偿器时，能够可靠镇定的充要条件是被控对象是强可镇定的。但条件若不满足，补偿器就会出现不稳定的极点，闭环系统就不稳定；另一方面，即使条件满足并有解，如何设计这两个补偿器也是极其困难的。文[33]做了进一步研究，给出了两个动态补偿器的参数化设计方法，能够得到可靠镇定问题的解，从而部分解决了上述问题。文[34]做了更进一步的研究，给出了针对多变量系统不满足强可镇定情况下，采用多个并列的动态补偿器进行可靠镇定问题的求解方法。综上所述，可靠镇定问题已基本趋于成熟。 联立镇定是针对被控对象内部元件故障的容错控制。实质上是设计一个控制器去镇定一个动态系统的多个模型的问题。这种方法尤其适用于非线性对象，即非线性控制往往是在某一工作点进行控制，那么工作点化，其对应线性模型也会变化，由于该设计具有联立镇定能力，所以可以镇定非线性系统的多个工作点模型。该问题近十几年来学者关注颇多[35-37]。其中文[35]是研究关于联立镇定的先驱。文[36] 基于广义的采样数据保持函数，得到了联立镇定问题有解以及实现线性二次型最优控制的充分条件，还有相应控制律的实现方法。可以说其在该问题的研究上取得了重要进展。 完整性控制是针对传感器和执行器故障的容错控制。该问题一直是被动容错控制领域研究的比较多的内容。一般来说，在控制系统中，传感器和执行器最易发生故障，因此对该问题的研究具有很高的应用价值。在某些执行器失效的情况下，即使系统开环是稳定的，闭环也会出现不稳定情况。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。完整性控制一般研究的对象是MIMO 线性定常系统[8,38-43]。文[8] 对执行器断路的完整性问题做了研究，提出了求解静态反馈增益阵的一种简单的伪逆方法。然而，其缺陷是并不能保证闭环系统在故障状态下稳定。文[39]进一步考虑了执行器在各种故障下的容错控制问题，给出闭环系统配置在预定区域中的完整性问题的数值求解方法。该方法不仅实现了故障恢复问题，而且还考虑了故障后闭环系统恢复的动态特性问题。但其缺陷