主動容錯控制

主動容錯控制是在故障發生後需要從新調整控制器參數，也可能改變控制器結構。主動容錯控制包括：控制器結構，基於自適應控制的主動容錯控制，智慧型容錯器的設計方法。主動容錯控制相比於被動容錯控制，更具設計彈性且更有套用價值。

基本介紹

• 中文名：主動容錯控制
• 外文名：active fault tolerant control
• 學科：控制科學與工程
• 類別：容錯控制
• 特點：從新調整控制器參數
• 分類：控制律重新調度、重構設計等

基本概念

容錯控制研究的是當系統發生故障時的控制問題。容錯控制是一門新興的交叉學科，其理論基礎包括統計數學、現代控制理論、信號處理、模式識別、最最佳化方法、決策論等，與其息息相關的學科有故障檢測與診斷、魯棒控制、自適應控制、智慧型控制等。

容錯控制可分為被動容錯控制和主動容錯控制。被動容錯控制在系統的構造思路上是一種與魯棒控制技術相類似的方案，它採用固定的控制器來確保閉環系統對特定的故障不敏感，保持系統的穩定，例如可靠性控制。而主動容錯控制是在故障發生後，根據所期望的特性重新設計一個控制系統，使整個故障系統達到穩定。主動容錯控制相比於被動容錯控制，更具設計彈性且更有套用價值。

容錯控制系統

容錯控制研究的是當系統發生故障時的控制問題，因此必須首先明確故障的定義。故障可以定義為：“系統至少一個特性或參數出現較大偏差，超出了可以接受的範圍，此時系統性能明顯低於正常水平，難以完成系統預期的功能”。而一直以來，對容錯控制並沒有一個明確的定義。這裡給出一個比較容易理解的概念，即所謂容錯控制是指當控制系統中的某些部件發生故障時，系統仍能按期望的性能指標或性能指標略有降低（但可接受）的情況下，還能安全地完成控制任務。容錯控制的研究，使得提高複雜系統的安全性和可靠性成為可能。

故障就是指工業設備的特徵性質發生了顯著惡化，以致使其難以完成預期功能。故障容錯控制就是在設備發生故障之前或故障之後，根據檢測的故障信息，針對不同的故障源和故障特徵，採取相應的容錯控制措施，保證設備正常運轉；或以犧牲性能損失為代價，保證設備在規定時間內完成其基本功能。故障容錯控制系統的基本結構如圖所示：

主動容錯控制方法

多數主動容錯控制需要故障診斷子系統，少部分雖然不需要，但需要已知各種故障的先驗知識。因此主動容錯控制需要設計較多的控制算法，雖然如此，但其能夠更大限度的提高控制系統的性能。因此，主動容錯控制受到研究者的更多關注。主動容錯控制通常按照容錯控制器的重構規則，分為控制律重新調度、控制律重構設計和模型跟隨重組控制。

控制律重新調度

控制律重新調度是最簡單的主動容錯控制，其基本思想是首先離線計算出各種故障下所需的合適的控制律增益參數，當故障診斷單元獲得最新故障信息後，依據信息選則一個前面計算存儲的合適的增益參數，得到控制律進行容錯控制。研究表明，通過專家系統進行這類增益調度具有很好的效果。

控制律重構設計

控制律重構則是近年來受到學者廣泛關注的主動容錯控制方法，現有的研究成果還不多。該方法也要通過故障診斷單元獲得故障信息，線上進行重組或重構控制律。線上重組類似控制律重新調度，先要離線設計出可能故障的容錯控制律，當故障發生後，根據故障診斷單元提供的信息，重組容錯控制律進行控制；線上重構則是在故障發生後，線上設計容錯控制律進行容錯控制。為提高控制精度，正常時採用模型參考自適應控制律；當檢測到系統出現故障，已處於不穩定的邊沿時，實時切換控制律到一種簡單的PI 控制器，使系統快速恢復至正常狀態。控制律重構方法控制器的結構在故障前後一般並不相同，一般在故障比較嚴重的情況下使用。

模型跟隨重組控制

模型跟隨重組控制的思想實際上是採用模型參考自適應控制的思想，即不管故障是否發生，保證被控過程的輸出始終自適應地跟蹤參考模型的輸出。也就是說隨著故障的發生，實際過程隨之發生變動，控制律隨之自適應地進行重組，保持被控對象對參考模型輸出的跟蹤。因此，可以說模型跟隨重組容錯控制不需要故障診斷單元。模型跟隨重組方法與控制律重構方法恰恰相反，適用於在故障不太嚴重的情況下使用，其缺陷是不能處理故障前後系統結構發生較大變化的情況。

被動容錯控制與主動容錯控制

容錯控制方法一般可以分成兩大類，即被動容錯控制(passive FTC)和主動容錯控制(active FTC)。

被動容錯控制

被動容錯控制基本思想就是在不改變控制器和系統結構的條件下，從魯棒控制思想出發設計控制系統，使其對故障不敏感。其特點是不管故障發生不發生，它都採用不變的控制器保證閉環系統對特定的故障具有魯棒性。因此被動容錯控制不需要故障診斷單元，也就是說不需要任何實時的故障信息。從處理不同類型故障分，被動容錯控制有可靠鎮定、聯立鎮定和完整性三種類型。

主動容錯控制

被動容錯控制方法雖然能夠保持一定的系統性能，但其大多研究考慮的僅是線性系統。而且由於該方法只從魯棒性考慮，一是難免保守，二是其對故障容錯的自適應能力非常有限。而主動容錯控制是在故障發生後根據故障情況對控制器的參數重新調整，甚至還要改變結構。也就是說主動容錯控制對發生的故障能夠進行主動處理。其對故障何時發生，故障發生幅度的自適應性容錯能力相比被動容錯控制強了許多。多數主動容錯控制需要故障診斷子系統，少部分雖然不需要，但需要已知各種故障的先驗知識。因此主動容錯控制需要設計較多的控制算法，雖然如此，但其能夠更大限度的提高控制系統的性能。因此，主動容錯控制受到研究者的更多關注。