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1、复杂过程的容错控制技术复杂过程的容错控制技术 薄翠梅薄翠梅 1.1 复杂过程控制系统现状分析复杂过程控制系统现状分析n复杂过程的生产环境通常处于复杂过程的生产环境通常处于高温高压或低温真空高温高压或低温真空等极端环境，如操作不当或因控等极端环境，如操作不当或因控制系统发生故障，可能造成生产中断、爆炸、毒气泄漏等危险。制系统发生故障，可能造成生产中断、爆炸、毒气泄漏等危险。n随着工业过程越来越趋于大型化和复杂化，以及大规模高水平的综合自动化系统的随着工业过程越来越趋于大型化和复杂化，以及大规模高水平的综合自动化系统的出现，对控制质量的要求日趋突出。这类故障一旦发生事故就可能造成人员和财产出现，对
2、控制质量的要求日趋突出。这类故障一旦发生事故就可能造成人员和财产造成重大损失，因此，对生产过程运行状态、产品质量的在线检测与诊断已成为衡造成重大损失，因此，对生产过程运行状态、产品质量的在线检测与诊断已成为衡量产品质量和生产效率的关键技术。量产品质量和生产效率的关键技术。n生产过程的生产过程的复杂性，多回路控制的耦合现象复杂性，多回路控制的耦合现象，造成了故障在回路之间传播，使得系，造成了故障在回路之间传播，使得系统故障的检测与隔离难度加剧。而统故障的检测与隔离难度加剧。而目前的过程监控还停留在目前的过程监控还停留在“变量监控变量监控”、“上下上下限报警限报警”的低层次水平上的低层次水平上。n
3、长期超负荷运行造成系统处于长期超负荷运行造成系统处于“亚健康状态亚健康状态”。需。需合理描述过程的合理描述过程的“正常表现正常表现”和和“异常征兆异常征兆”现象，现象，有利于建立历史故障库和快速诊断故障；有利于建立历史故障库和快速诊断故障；n多数的流程工业都具有多数的流程工业都具有慢过程特性慢过程特性，控制精度要求比航空航天或运动控制精度要低，控制精度要求比航空航天或运动控制精度要低很多，为故障诊断与容错控制技术在工业过程中应用提供了可能性。且连续的工业很多，为故障诊断与容错控制技术在工业过程中应用提供了可能性。且连续的工业生产线，生产线，设备发生故障难以进行维修或者更换设备发生故障难以进行维
4、修或者更换，需要从控制补偿的角度提出容错策，需要从控制补偿的角度提出容错策略，最大限度地将控制回路性能维持在正常状态。略，最大限度地将控制回路性能维持在正常状态。1.1 复杂过程控制系统现状分析复杂过程控制系统现状分析n一般的过程控制系统基础层往往包含一般的过程控制系统基础层往往包含90%90%以上的常规控制回路，回路之间以上的常规控制回路，回路之间又存在关联耦合现象，一旦局部某一控制回路发生故障（例如，传感器又存在关联耦合现象，一旦局部某一控制回路发生故障（例如，传感器故障或者阀门故障），导致控制回路发生波动，性能退化，故障通过回故障或者阀门故障），导致控制回路发生波动，性能退化，故障通过回
5、路之间关联传递机制传播到相关回路，其性能也被退化，致使整个厂级路之间关联传递机制传播到相关回路，其性能也被退化，致使整个厂级控制系统出现波动，轻则导致产品质量下降，能耗上升，重则导致厂级控制系统出现波动，轻则导致产品质量下降，能耗上升，重则导致厂级控制系统瘫痪，发生安全事故。控制系统瘫痪，发生安全事故。n这时往往都是现场工程师，通过对故障现象分析，准确定位控制回路，这时往往都是现场工程师，通过对故障现象分析，准确定位控制回路，并经过维护消除故障，整个工业控制系统恢复正常运行状态。并经过维护消除故障，整个工业控制系统恢复正常运行状态。n因此，问题回路的有效定位是解决厂级范围控制回路性能降低退化的
6、重因此，问题回路的有效定位是解决厂级范围控制回路性能降低退化的重要因素。然而，往往根据已有的采集的监控信号很难直观地实现故障根要因素。然而，往往根据已有的采集的监控信号很难直观地实现故障根源的定位，需要采用一些特殊的或者综合集成的故障诊断技术进行深入源的定位，需要采用一些特殊的或者综合集成的故障诊断技术进行深入的分析研究，并分析故障产生的原因。的分析研究，并分析故障产生的原因。1.1 复杂过程控制系统现状分析复杂过程控制系统现状分析n例如，例如，20082008年春节前夕我国遭受的特大雪灾，造成南方电网故障年春节前夕我国遭受的特大雪灾，造成南方电网故障频发，部分省份大面积停电，直接经济损失达上
7、千亿元。造成这频发，部分省份大面积停电，直接经济损失达上千亿元。造成这场电力系统灾难的原因固然复杂，而且其电力运行的容错机制和场电力系统灾难的原因固然复杂，而且其电力运行的容错机制和控制策略也确保了整体电力系统的稳定，但在局部地区电力中断，控制策略也确保了整体电力系统的稳定，但在局部地区电力中断，居民的基本生活用电无法保障，仍然是企业和用户难以接受的。居民的基本生活用电无法保障，仍然是企业和用户难以接受的。例如，对于某一个连续的复杂工业生产线，某一装置发生故障后，例如，对于某一个连续的复杂工业生产线，某一装置发生故障后，如不能及时采取措施，就可能影响整个生产线的平稳运行，甚至如不能及时采取措施
8、，就可能影响整个生产线的平稳运行，甚至造成巨大的灾难。因此工业也急切需求工业控制系统能够具有快造成巨大的灾难。因此工业也急切需求工业控制系统能够具有快速故障检测、诊断与容错控制的能力。速故障检测、诊断与容错控制的能力。1.1 复杂过程控制系统现状分析复杂过程控制系统现状分析n1.1.对象不确定性问题。对象不确定性问题。工业过程均存在各种干扰，且多数干扰既无法工业过程均存在各种干扰，且多数干扰既无法测量又无法消除。控制系统理论研究涉及的数学模型仅是被控对象的测量又无法消除。控制系统理论研究涉及的数学模型仅是被控对象的简单近似，忽略许多复杂的干扰和不确定性因素，建立的数学模型与简单近似，忽略许多复
9、杂的干扰和不确定性因素，建立的数学模型与实际情况相差甚远，不仅很难取得好的控制效果，而且使得故障的漏实际情况相差甚远，不仅很难取得好的控制效果，而且使得故障的漏报和误报率大大增加。报和误报率大大增加。n2.2.对象的非线性特性。对象的非线性特性。严格地讲，所有工业过程都存在非线性。对于严格地讲，所有工业过程都存在非线性。对于非线性程度较弱的系统，在一定的范围内可以当作线性系统来处理，非线性程度较弱的系统，在一定的范围内可以当作线性系统来处理，对于非线性程度较强的系统，采用线性化的处理方法时常会产生很大对于非线性程度较强的系统，采用线性化的处理方法时常会产生很大的偏差，甚至会得出完全相反的结论。
10、目前线性系统的故障诊断与容的偏差，甚至会得出完全相反的结论。目前线性系统的故障诊断与容错控制已基本成熟，但非线性系统的故障诊断与容错控制在工业应用错控制已基本成熟，但非线性系统的故障诊断与容错控制在工业应用方面远没有成熟。方面远没有成熟。1.1 复杂过程控制系统现状分析复杂过程控制系统现状分析n3.3.对象的时滞性。对象的时滞性。在化工、炼油、造纸等工业生产过程中经常存在纯在化工、炼油、造纸等工业生产过程中经常存在纯滞后现象，如装置的长管道进料传输和带轮进料过程存在输入滞后、滞后现象，如装置的长管道进料传输和带轮进料过程存在输入滞后、化学反应过程本身是时滞对象，成分测量等检测环节也存在很大的滞
11、化学反应过程本身是时滞对象，成分测量等检测环节也存在很大的滞后。与无滞后的过程相比，存在滞后使系统的响应性能变差，控制难后。与无滞后的过程相比，存在滞后使系统的响应性能变差，控制难度大大增加。度大大增加。n4.4.多变量和强耦合特性。多变量和强耦合特性。工业过程中，都包含了较多过程变量，而且工业过程中，都包含了较多过程变量，而且过程变量之间相互关联、相互耦合，任何一个变量的变化都可能会引过程变量之间相互关联、相互耦合，任何一个变量的变化都可能会引起其它所有变量发生变化，从而使工业流程错综复杂。这就一方面增起其它所有变量发生变化，从而使工业流程错综复杂。这就一方面增加了过程控制的困难程度和复杂程
12、度，另一方面也是故障诊断过程所加了过程控制的困难程度和复杂程度，另一方面也是故障诊断过程所面临的一个难题。面临的一个难题。n5.“5.“数据丰富，信息匾乏数据丰富，信息匾乏”的现象。的现象。随着随着DCSDCS和智能化仪表、现场总线和智能化仪表、现场总线技术在工业过程中的广泛应用，大量的过程数据被采集并存储下来，技术在工业过程中的广泛应用，大量的过程数据被采集并存储下来，以至出现了以至出现了“数据丰富，信息匾乏数据丰富，信息匾乏”的现象。另一方面，随着计算机的现象。另一方面，随着计算机技术和数据库技术的发展，为工业数据的分析提供了物质基础。因此，技术和数据库技术的发展，为工业数据的分析提供了物
13、质基础。因此，基于数据驱动的故障检测与诊断技术已成为当前过程控制领域研究热基于数据驱动的故障检测与诊断技术已成为当前过程控制领域研究热点之一。点之一。1.1、什么是容错控制？容错控制是系统对故障的容忍技术，指当系统中一个或多个关键部件发生故障时，系统能继续安全稳定运行的特性。保证动态系统在发生故障时仍然可以稳定运行，并具有可以接受的性能指标。1.2、容错控制的学科意义是什么？1.2 容错控制的概念容错控制的概念1.2 容错控制的概念容错控制的概念n容错控制三个基本要素：n1.考虑故障类型，即容错控制的对象；n2.对控制系统的性能要求（容错控制目标)n3.容错控制的方案（系统的结构和参数）1.3
14、容错控制理论的国外发展概况容错控制理论的国外发展概况容错控制的思想以容错控制的思想以1971年年Niederlinski提出完整性提出完整性控制的新概念为标志控制的新概念为标志 1986年，由美国国家科学基金委员会和年，由美国国家科学基金委员会和IEEE控制控制科学联合举办的控制界科学联合举办的控制界“高峰会议高峰会议”上，将容错控上，将容错控制列为控制科学面临的富有挑战性的研究课题之一。制列为控制科学面临的富有挑战性的研究课题之一。1993年，年，IFAC技术过程的故障诊断与安全性技术技术过程的故障诊断与安全性技术委员会成立并领导国际上容错控制的研究工作。委员会成立并领导国际上容错控制的研究
15、工作。1993年，英国的年，英国的Patton教授撰写了第一篇容错控教授撰写了第一篇容错控制的综述文章制的综述文章。中国自动化学会成立了中国自动化学会成立了“技术过程的故障诊断与安全性专业技术过程的故障诊断与安全性专业委员会委员会”，领导国内容错控制领域的研究工作。，领导国内容错控制领域的研究工作。国内大量的专家教授在该领域作出了卓有成效的研究工作。国内大量的专家教授在该领域作出了卓有成效的研究工作。如：南航的胡寿松教授如：南航的胡寿松教授；清华的周东华教授、王桂增教授、；清华的周东华教授、王桂增教授、方崇智教授、王诗宓教授、葛建华教授方崇智教授、王诗宓教授、葛建华教授；上海海运学院的叶；上海
16、海运学院的叶银忠教授银忠教授；北航的张洪钺教授；北航的张洪钺教授；浙大的孙优贤院士、褚健教；浙大的孙优贤院士、褚健教授、浙江工业大学的俞立教授授、浙江工业大学的俞立教授；东北大学的张嗣瀛院士、柴；东北大学的张嗣瀛院士、柴天佑院士、王福利教授。此外，还有东华大学的蒋慰孙教授、天佑院士、王福利教授。此外，还有东华大学的蒋慰孙教授、华中科技大学的方华京教授、华南理工大学的胥布工教授、华中科技大学的方华京教授、华南理工大学的胥布工教授、哈工大的段广仁教授、西工大的史忠科教授等。哈工大的段广仁教授、西工大的史忠科教授等。1.3 容错控制理论的国内发展概况容错控制理论的国内发展概况容错控制被动容错控制主动
17、容错控制可靠镇定联立镇定完整性设计控制律重新调度 控制律在线重构/重组设计 自适应容错控制 智能容错控制器的设计 1.4、容错控制有哪些设计方法？按照容错控制对象来分类按照容错控制设计方法来分类是否含有FDD控制器失效 被控对象故障 传感器、执行器故障 2.2主动容错控制 n主动容错控制是目前国内外研究的热点，它包含了故障检测故障检测/诊断、隔离和故障适应与容错控制诊断、隔离和故障适应与容错控制等研究内容。主动容错控制结构图主动容错控制结构图2.2主动容错控制n一般控制策略是：n先利用故障检测/诊断单元检测、诊断或分离出故障；n再根据故障检测/诊断的结果由控制器重组/重构机制进行控制器的重组/
18、重构设计，形成适合的故障容错控制律，设计出新的重组/重构容错控制器，保证故障后系统稳定或使其性能与故障前系统的性能接近。n主动容错控制方法较多，例如专家系统、模糊控制策略、应用反馈线性化的方法，应用伪逆建模的方法，基于模型跟随原理的方法，应用自适应的方法，特征结构配置的方法，LMI方法，应用智能技术的容错控制器设计的方法等n主动容错控制在航天航空与化工过程领域的研究结果。2.2主动容错控制n 控制律重新调度控制律重新调度 这是一种较为简单的主动容错控制方法，它离线计算出各种故障情况下所需要的控制律参数，并存储在控制计算机中，基于在线故障检测与诊断技术得到实时的故障诊断信息后，从中挑选合适的控制
19、律参数进行容错控制。2.2主动容错控制n 控制律在线重构设计控制律在线重构设计 控制律在线重组控制律在线重组/重构方法是当故障检测与诊断装置发现并确定出重构方法是当故障检测与诊断装置发现并确定出系统的故障后，在线进行系统控制律的重组或重构，这是目前很受系统的故障后，在线进行系统控制律的重组或重构，这是目前很受关注的研究方向。关注的研究方向。1.1.如胡寿松教授利用检测滤波器理论进行实时故障检测与估计，利用如胡寿松教授利用检测滤波器理论进行实时故障检测与估计，利用LyapunovLyapunov方法设计模型参考容错控制律，保证故障系统的稳定性；方法设计模型参考容错控制律，保证故障系统的稳定性；2
20、.2.周东华教授等人采用基于强跟踪滤波器的自适应一般模型控制技术周东华教授等人采用基于强跟踪滤波器的自适应一般模型控制技术研究了非线性系统的主动重构容错设计方法。研究了非线性系统的主动重构容错设计方法。3.3.采用神经网络进行控制器重构的设计方法。采用神经网络进行控制器重构的设计方法。4.4.对线性不确定系统的传感器和执行器故障进行了主动容错控制的研对线性不确定系统的传感器和执行器故障进行了主动容错控制的研究，通过设计故障检测滤波器进行故障检测，并采用故障的有效因究，通过设计故障检测滤波器进行故障检测，并采用故障的有效因子和激励重构技术进行控制律的重构设计，保证故障前后的系统具子和激励重构技术
21、进行控制律的重构设计，保证故障前后的系统具有相同的特征值。有相同的特征值。2.2主动容错控制研究例子未知故障_传感器正常模型FTC 2FTC N历史故障容错补偿调节库FTC 1历史故障诊断库历史故障模型库Fault 1Fault 2Fault N在线故障诊断与估计SP工业过程对象执行器正常控制器第二层：FDT第三层:监督管理层第一层:闭环控制层主动容错控制策略重组示意图智能调节控制器人机监控管理界面故障检测模块故障故障调节调节Y(k)故障调节+_切换策略故障故障故障三水箱实验平台的容错控制策略三水箱实验平台的容错控制策略Q32Q13az3az2az1泵2A水箱1水箱2水箱3Q1Q2泵1h1h3
22、h2Sp泄漏故障1泄漏故障2Q202.5.1 三水箱系统结构示意图三水箱实验平台的容错控制策略三水箱实验平台的容错控制策略图2.5.4 水箱2液位传感器故障系统输出响应曲线l假设水箱假设水箱2 2在在500500秒秒-800-800秒期间发生精度下降故障：秒期间发生精度下降故障：图2.5.5 具有容错控制策略的系统响应曲线三水箱实验平台的容错控制策略三水箱实验平台的容错控制策略l多故障模式下系统响应分析多故障模式下系统响应分析 图2.5.7 多模式传感器故障诊断响应曲线水箱2液位传感器在400s时刻发生精度下降故障 同时水箱1液位在500s时刻发生衰减性完全故障 三水箱实验平台的容错控制策略三
23、水箱实验平台的容错控制策略图2.5.6 多模式传感器故障系统输出响应曲线图2.5.8容错控制策略的系统实时响应曲线DAMADICS 19种阀门故障容错仿真研究种阀门故障容错仿真研究1.1.阀座下沉故障（故障阀座下沉故障（故障2 2）检测结果）检测结果 在系统运行在系统运行100秒后加入故障模式秒后加入故障模式2：Hf=H0(1-0.2fs)，Xf=min1,(X0+0.2fs)，Kvrf=min1,Kvr0(1-0.2fs)图2.6.3 阀座下沉故障（故障2）实时检测曲线2.6.3 基于自适应阈值的阀门故障鲁棒检测仿真基于自适应阈值的阀门故障鲁棒检测仿真 DAMADICS 19种阀门故障容错仿
24、真研究种阀门故障容错仿真研究n2.阀杆位移传感器故障（故障阀杆位移传感器故障（故障13）检测结果）检测结果 图2.6.4 阀杆位移衰减故障（故障13）实时检测曲线系统在系统在112112秒处流量输出值超出秒处流量输出值超出了系统正常模型不确定范围，了系统正常模型不确定范围，检测到故障。由于阀杆检测回检测到故障。由于阀杆检测回路发生故障，负反馈控制被破路发生故障，负反馈控制被破坏，阀门流量开到最大值坏，阀门流量开到最大值 DAMADICS 19种阀门故障容错仿真研究种阀门故障容错仿真研究n3.压差变化故障（故障压差变化故障（故障17）检测结果）检测结果100秒秒处压处压差差发发生突然增大故障，可
25、用下式描述故障生突然增大故障，可用下式描述故障：图2.6.5 阀压差发生故障（故障17）实时检测曲线2.6 DAMADICS 19种阀门故障仿真种阀门故障仿真DAMADICS 19种阀门故障容错仿真研究种阀门故障容错仿真研究n2.6.4 2.6.4 基于多残差的阀门故障快速诊断仿真基于多残差的阀门故障快速诊断仿真 n1.1.基于多残差的故障特征的描述基于多残差的故障特征的描述根据可测量的变量信号和控制信号以及故障信号在闭环系统中的传根据可测量的变量信号和控制信号以及故障信号在闭环系统中的传播途径，可以定义下面播途径，可以定义下面8 8种残差变量，描述不同故障模式的故障特征。种残差变量，描述不同
26、故障模式的故障特征。8 8种残差变量可定义为：种残差变量可定义为：DAMADICS 19种阀门故障容错仿真研究种阀门故障容错仿真研究2.2.执行器故障诊断结果分析执行器故障诊断结果分析 DAMADICS 19种阀门故障容错仿真研究种阀门故障容错仿真研究n基于自愈补偿的主动容错控制仿真基于自愈补偿的主动容错控制仿真 _SP工业对象阀门控制器图 2.6.6 阀门故障补偿性主动容错控制框图Y(k)+故障传感器补偿策略正常模型故障检测_+故障诊断图2.6.7 故障11自愈补偿容错控制曲线故障补偿策略是根据阀门故障模式对流量故障补偿策略是根据阀门故障模式对流量和阀杆位移的影响，首先在线估计故障的和阀杆位
27、移的影响，首先在线估计故障的大小和参数，然后根据阀门输出流量或阀大小和参数，然后根据阀门输出流量或阀杆位移偏离正常值的大小设定补偿器给定杆位移偏离正常值的大小设定补偿器给定值，也可通过调节旁路阀的设定值对故障值，也可通过调节旁路阀的设定值对故障进行补偿。进行补偿。2.2主动容错控制n 自适应容错控制自适应容错控制n这种方法主要有模型参考自适应容错和多模型自适应容错方法。多模型自适应容错方法在一定意义上与联立镇定相似，它依据自适应律调整控制参数，克服故障影响。n柴天佑院士利用神经网络技术自动在线估计故障，采用模型参考自适应技术设计容错补偿控制器使故障前后的闭环系统具有相同的稳定性。nTao G针
28、对线性时不变系统提出一种针对执行器卡死故障的自适应容错控制器设计方法，使得系统在有执行器故障时仍能获得满意的性能。nZhang X基于信息诊断技术研究了一类多变量非线性动态系统的自适应主动容错控制。n自适应容错控制中控制律的自适应过程或参数调整过程时间的大小会影响系统的稳定。2.2主动容错控制n 智能容错控制器的设计智能容错控制器的设计n将模糊理论、神经网络等智能技术用于主动容错控制器设计是一个富有挑战性的课题，目前这方面的成果还有限。n最近的成果主要有：利用自适应模糊神经网络系统模型研究了动态系统的故障检测与容错问题；对一类双线性系统建立T-S模糊模型，对传感器故障，通过设计模糊观测器实现故
29、障检测与诊断，进而利用极点配置和LMI技术设计容错控制器，实现系统的主动容错控制；首先应用神经网络设计一种非线性系统的在线故障估计器，实现故障检测；再引入补偿控制器，消除故障对系统运行的影响，保证了故障系统的稳定性。利用集成神经网络技术研究了飞行控制系统传感器和执行器故障的容错控制，利用主神经网络(main neural network，MNN)实现参数估计进行故障检测，利用分布神经网络(decentralized neural networks，DNNs)实现故障诊断与分离。通过集成设计技术提高了误报警率和故障正确诊断的性能。基于基于EKFEKF的自适应神经网络主动容错控制的自适应神经网络主
30、动容错控制n基于扩展卡尔曼滤波算法故障在线学习策略基于扩展卡尔曼滤波算法故障在线学习策略l问题的描述问题的描述lRBFRBF神经网络模型神经网络模型l扩展卡尔曼滤波算法更新模型权值扩展卡尔曼滤波算法更新模型权值n基于迭代逆模算法的容错控制策略基于迭代逆模算法的容错控制策略l基于迭代逆模算法基于迭代逆模算法故障容错控制结构故障容错控制结构l基于神经网络模型的逆迭代控制算法基于神经网络模型的逆迭代控制算法n三水箱泄漏故障实验仿真研究三水箱泄漏故障实验仿真研究l过程建模过程建模l泄漏故障描述泄漏故障描述l小泄漏故障的学习性能和容错控制策略性能分析小泄漏故障的学习性能和容错控制策略性能分析l泄漏故障严
31、重情况的容错策略泄漏故障严重情况的容错策略基于扩展卡尔曼滤波算法故障在线学习策略基于扩展卡尔曼滤波算法故障在线学习策略n未知非动态模型：未知非动态模型：n采用采用RBF神经网络技术建立系统模型：神经网络技术建立系统模型：RBF RBF神经网络可以写成如下矩阵形式神经网络可以写成如下矩阵形式：说明：首先采用梯度下降法离线训练初始化说明：首先采用梯度下降法离线训练初始化RBFRBF模型，然后采用以下扩模型，然后采用以下扩展的卡尔曼滤波算法在线更新网络权值展的卡尔曼滤波算法在线更新网络权值 基于扩展卡尔曼滤波算法故障在线学习策略基于扩展卡尔曼滤波算法故障在线学习策略n故障在线学习策略（扩展卡尔曼滤波
32、算法）故障在线学习策略（扩展卡尔曼滤波算法）即：采用即：采用EKFEKF算法在线更新网络的权值算法在线更新网络的权值 W W 和径向基中心和径向基中心v vi i。定义一定义一个新的矢量：个新的矢量：EKF算法算法：基于迭代逆模算法的容错控制策略基于迭代逆模算法的容错控制策略n当系统出现故障时，扩展的卡尔曼滤波算法使的模型迅速学习故障动态，当系统出现故障时，扩展的卡尔曼滤波算法使的模型迅速学习故障动态，同时模型出现的这种自适应动态行为也会影响逆模迭代控制算法，通过迭同时模型出现的这种自适应动态行为也会影响逆模迭代控制算法，通过迭代求解在该故障动态下的最优的控制器输出值，实现故障容错控制。代求解
33、在该故障动态下的最优的控制器输出值，实现故障容错控制。图5.3.1 基于逆迭代RBF算法的故障容错控制结构示意图n说明：应用这种控制策略，虽然故障容忍的幅度仍然受神经网络自学说明：应用这种控制策略，虽然故障容忍的幅度仍然受神经网络自学习收敛速度的影响；对于执行器故障和系统元件自身故障具有较好的容习收敛速度的影响；对于执行器故障和系统元件自身故障具有较好的容错能力。错能力。基于迭代逆模算法的容错控制策略基于迭代逆模算法的容错控制策略l基于神经网络模型的逆迭代控制算法基于神经网络模型的逆迭代控制算法 目标就是估计控制变量目标就是估计控制变量 ，使，使RBFRBF模型输出模型输出 追踪给定的目标变量
34、追踪给定的目标变量 。即用即用EKF算法估计最优控制变量算法估计最优控制变量 ，使下式最小化，使下式最小化EKF迭代算法迭代算法：基于迭代逆模算法的容错控制策略基于迭代逆模算法的容错控制策略n迭代逆模容错控制算法的设计程序步骤：迭代逆模容错控制算法的设计程序步骤：a)a)在采样时刻在采样时刻k k，测量得到过去的过程输出变量，测量得到过去的过程输出变量y y，和过去的控制变量，和过去的控制变量u u，构成构成RBFRBF模型的输入矢量模型的输入矢量X(kX(k)。得到理想的控制目标。得到理想的控制目标y yd d(k+1)(k+1)。并初始化。并初始化相关变量；相关变量；b)b)使用使用EKF
35、EKF算法，计算最优的控制变量的估计值算法，计算最优的控制变量的估计值 ；c)c)应用应用 到模型的输入，得到模型的输出变量到模型的输入，得到模型的输出变量 ，并计算每一次迭代，并计算每一次迭代步骤的模型追踪误差步骤的模型追踪误差 ；d)d)令下一次迭代为令下一次迭代为 ，重复步骤，重复步骤2 2）和步骤）和步骤3 3）计算，直到神经网络的追）计算，直到神经网络的追踪误差踪误差 小于预先确定的阈值或已达到最大迭代步骤。小于预先确定的阈值或已达到最大迭代步骤。e)e)令令 作为控制器输出信号，加入到过程对象。作为控制器输出信号，加入到过程对象。三水箱泄漏故障实验仿真研究三水箱泄漏故障实验仿真研究
36、Q32Q13az3az2az1泵2A水箱1水箱2水箱3Q1Q2泵1h1h3h2Sp泄漏故障1泄漏故障2Q202.5.1 三水箱系统结构示意图l输入时滞：进水输入时滞：进水Q Q2 2增加时滞为增加时滞为5 5；l输入约束条件（最大流量）：输入约束条件（最大流量）：Q1max=Q2max=100ml/s；l输出约束条件（水箱最大容水高度）：输出约束条件（水箱最大容水高度）：Hmax=62cm；n故障容错控制仿真研究中是模拟一个未知的多变量动态过程。故障容错控制仿真研究中是模拟一个未知的多变量动态过程。即即模拟实际的三水箱对象（过程模型未知），模拟实际的三水箱对象（过程模型未知），所以已知的模型参
37、数所以已知的模型参数都不能用于建模和容错控制器的设计中，只能用可测量的输出变量都不能用于建模和容错控制器的设计中，只能用可测量的输出变量和控制变量进行建模和容错控制器设计的仿真研究。和控制变量进行建模和容错控制器设计的仿真研究。三水箱泄漏故障实验仿真研究三水箱泄漏故障实验仿真研究l建立过程模型建立过程模型l设置突发泄漏故障：设置突发泄漏故障：表示故障条件下水箱表示故障条件下水箱2 2的输出流量；的输出流量；r r2 2表示泄漏半径，这里表示泄漏半径，这里r r2 2=0.5=0.5。表示正常条件下水箱表示正常条件下水箱2 2的输出流量的输出流量，三水箱泄漏故障实验仿真研究三水箱泄漏故障实验仿真
38、研究n故障在学习性能分析故障在学习性能分析图5.4.3(a)无在线学习性能的静态RBF模型对故障跟踪性能曲线图5.4.4无在线学习性能的静态RBF模型输出绝对误差曲线图5.4.4(a)基于在线EKF算法自适应RBF模型的故障跟踪性能曲线图5.4.4(b)h2泄漏故障条件下自适应模型的绝对误差输出曲线三水箱泄漏故障实验仿真研究三水箱泄漏故障实验仿真研究n容错控制策略性能分析容错控制策略性能分析1缓变泄漏故障缓变泄漏故障（小泄漏）（小泄漏）图5.4.6(a)水箱2发生小泄漏故障液位1,2输出跟踪响应曲线图5.4.6(b)水箱2发生小泄漏故障泵1,2供应流量响应曲线三水箱泄漏故障实验仿真研究三水箱泄
39、漏故障实验仿真研究n容错控制策略性能分析容错控制策略性能分析2图5.4.7(a)水箱2发生大泄漏故障液位1,2输出响应曲线图5.4.7(b)水箱2发生大泄漏故障泵1,2供应流量响应曲线图5.4.8(a)具有约束容错控制的液位1,2输出响应曲线图5.4.8(b)具有约束容错控制的泵1,2供应流量响应曲线缓变泄漏故障缓变泄漏故障（大泄漏）（大泄漏）增加特殊补偿策略，系统检增加特殊补偿策略，系统检测到泵的供应流量在测到泵的供应流量在5 5个采个采样周期内的平均流量达到最样周期内的平均流量达到最大供应流量大供应流量QmaxQmax，系统自动，系统自动关闭输出流量阀关闭输出流量阀Q20Q20。2.1 被
40、动容错控制n被动容错控制是设计适当固定结构的控制器，该控制器除了考虑正常工作状态的参数值以外，还考虑在故障情况下的参数值。不仅在所有控制部件正常运行时，而且在执行器、传感器和其它部件实效时，保障系统仍然具有稳定性和令人满意的性能。往往牺牲系统性能指标，且具有很大的保守性。n优点：故障发生时，即使实现容错控制，不存在主动容错控制中因故障隔离误检延时引起的控制性能变坏问题。基于冗余的被动容错控制n硬件结构冗余和解析冗余的方法：n硬件冗余：采用双重或更高重备份提高系统可靠性。静态硬件冗余和动态硬件冗余n解析冗余（软件冗余）利用系统中不同部件在功能上的冗余性，通过估计来实现故障容错。n被动容错采用方法
41、：nRiccati方程nLMI不等式（线性矩阵不等式）nLyapunov稳定性定理2.1 被动容错控制（鲁棒控制）n被动容错控制的设计思想起源于多变量系统的完整性设计问题。下图是典型的被动容错控制结构，其中对角阵M代表执行器通道的状态，当对角元素为时表示该通道的执行器失效，控制信号不能经此作用于被控对象。这样，被动容错控制的设计问题就是如何设计一个控制器使闭环系统对于矩阵M对角元素的任意组合都保持稳定。被动容错控制可分为可靠镇定、联立镇定、完整性设计等几种类型。图 被动容错控制结构图2.1 被动容错控制（鲁棒控制）n 可靠镇定n是一种针对控制器失效的容错控制问题。Siljak最先提出了可靠镇定
42、问题，给出了控制器有解的充分条件。n可靠镇定是采用两个或更多的补偿器来并行地镇定同一个被控对象。当人以一个或多个补偿器失效，而剩余的补偿器正常工作时，闭环系统仍然可以保持稳定，就称称此系统为可靠镇定。nVidyasagar等人证明了可靠镇定有解的充分条件。Unyelioglu等学者讨论了关联系统的可靠分散镇定问题。我国的叶银忠教授扩展了可靠镇定的容错目标，考虑了在稳定性、关联性和动态响应性能要求下，MIMO系统的容错设计问题，并分析了被控对象摄动的鲁棒性问题。目前，可靠镇定问题的研究已趋于成熟。2.1 被动容错控制（鲁棒控制）n 联立镇定n是一种关于被控对象故障的容错控制，它用一个固定的控制器
43、同时能够使被控对象的多个故障和正常模式模型稳定。Saeks R是最早开始研究联立镇定问题的学者之一。Kabamba P T在联立镇定容错控制设计方法上取得了重要进展，给出了联立镇定问题有解的充分条件，及其控制律的构造方法；同时也给出了在满足联立镇定的基础上实现线性二次型最优控制的充分条件，以及相应的控制律的构造方法。2.1 被动容错控制（鲁棒控制）n 完整性设计n是指所设计的控制器在传感器或执行器故障时仍能维持系统的稳定性的容错控制方法。Belletrutti等人最早提出完整性概念。Mayne进一步分析了对角优势和完整性的关系。Harvey等人研究了状态反馈控制的完整性问题。完整性设计的主要方
44、法有：参数空间法、Riccati方程、极点配置技术、Lyapunov方法、LMI方法等 2.1 被动容错控制（鲁棒控制）n被动容错控制的优点在于系统无须增加额外的硬件，也不需要故障检测与诊断环节。这样就不会增加系统的成本。同时，被动容错控制系统在出现故障时不需要故障反应时间，可以保证系统的安全。但这种方法适用的故障范围有限，而且所设计的容错控制器要使系统在有无故障时都能安全可靠地运行，必然使得正常时系统的性能难以达到最佳效果，因此设计的控制器比较保守。被动容错控制例子nT-S模糊模型描述的非线性连续系统：模糊模型描述的非线性连续系统：系系统统的模糊的模糊规则规则i：如果：如果pi(t)是是Fi
45、1且且pl(t)是是FiN模糊系模糊系统统的整个状的整个状态态方程方程为为：容错控制设计目标：容错控制设计目标：1)将闭环系统极点配置在复平面的左半平面将闭环系统极点配置在复平面的左半平面2)在任意时刻在任意时刻 ，系统输入满足，系统输入满足3)在任意时刻在任意时刻 ，系统输出满足，系统输出满足被动容错控制例子包含执行器失效的故障闭环系统状态方程为：包含执行器失效的故障闭环系统状态方程为：被动容错控制例子 输入约束输入约束输出约束输出约束稳定度约束稳定度约束被动容错控制例子仿真算例：仿真算例：被动容错控制例子图7.2.3 倒立摆角位移响应曲线和容错控制输出曲线（执行器分别在正常和增益系数为m=
46、0.5,m=1.5故障时响应曲线）仿真结果：仿真结果：被动容错控制例子图7.3.1 模糊容错控制器的角位移响应曲线（）被动容错控制例子图7.3.2 执行器发生增益故障（m=0.8）下系统角位移响应曲线被动容错控制例子图7.3.3 执行器发生增益故障（m=1.2）下系统角位移响应曲线故障诊断与容错控制热点问题 针对工业过程生产特性及其控制系统的特点，故障检测、诊断与容错技术针对工业过程生产特性及其控制系统的特点，故障检测、诊断与容错技术的研究存在难点问题可初步概括总结如下：的研究存在难点问题可初步概括总结如下：n故障过程合理的描述模型：故障过程合理的描述模型：为了建立工业过程故障监控系统和设计主
47、动容为了建立工业过程故障监控系统和设计主动容错控制策略，不仅要准确分析过程正常运动时错控制策略，不仅要准确分析过程正常运动时“正常表现正常表现”和发生故障时和发生故障时的的“异常征兆异常征兆”，而且必须采用适当数学描述方式或数学模型将故障现象，而且必须采用适当数学描述方式或数学模型将故障现象描述出来，以便对过程故障进行定量估计与实施监控。描述出来，以便对过程故障进行定量估计与实施监控。n快速故障检测与诊断方法的研究：快速故障检测与诊断方法的研究：故障检测与分离造成的时延越短，对控故障检测与分离造成的时延越短，对控制律的重构设计就越有利，如果故障检测与诊断的时延和控制器重组制律的重构设计就越有利
48、，如果故障检测与诊断的时延和控制器重组/重构重构的时间过长，可能会使系统性能变坏，甚至导致系统崩溃或造成重大损失，的时间过长，可能会使系统性能变坏，甚至导致系统崩溃或造成重大损失，从而使重构容错控制失去意义。目前为止，复杂过程故障检测、诊断系统从而使重构容错控制失去意义。目前为止，复杂过程故障检测、诊断系统绝大多数还停留在绝大多数还停留在“变量监控变量监控”、“上下限报警上下限报警”的低层次水平上，没能的低层次水平上，没能充分发挥故障诊断系统应有的作用。充分发挥故障诊断系统应有的作用。故障诊断与容错控制热点问题n鲁棒容错控制的研究鲁棒容错控制的研究 ：不论主动还是被动容错控制，都需要具有关于模
49、：不论主动还是被动容错控制，都需要具有关于模型不确定性和外界扰动的鲁棒性。型不确定性和外界扰动的鲁棒性。对于主动容错具有挑战性的问题是：对于主动容错具有挑战性的问题是：基本控制器应具有鲁棒性，在控制律重构期间保持系统稳定。基本控制器应具有鲁棒性，在控制律重构期间保持系统稳定。FDDFDD单元应具有鲁棒性，以减少漏报与误报，减少故障检测时间。单元应具有鲁棒性，以减少漏报与误报，减少故障检测时间。重组重组/重构控制律的鲁棒性重构控制律的鲁棒性n主动主动/被动容错控制的集成化设计：被动容错控制的集成化设计：对于某些复杂过程，也可以采用主动对于某些复杂过程，也可以采用主动/被动容错控制的集成化设计思想
50、。即，首先设计被动容错控制器，使在被动容错控制的集成化设计思想。即，首先设计被动容错控制器，使在部分已知故障情形下系统都能保证稳定，然后在保证被动容错控制器设部分已知故障情形下系统都能保证稳定，然后在保证被动容错控制器设计性能不变的前提下，通过主动容错重构或者控制律的切换保证整个系计性能不变的前提下，通过主动容错重构或者控制律的切换保证整个系统在无统在无/有故障时的稳定性和鲁棒性。这种方法避免了被动容错的保守性有故障时的稳定性和鲁棒性。这种方法避免了被动容错的保守性和主动容错因为故障检测和主动容错因为故障检测/诊断单元的误诊而造成系统的不稳定性。集成诊断单元的误诊而造成系统的不稳定性。集成化设