故障容錯控制

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。

基本介紹

• 中文名：故障容錯控制
• 外文名：fault-tolerant control
• 學科：控制科學與工程
• 簡稱：FTC
• 方法：綜合冗餘法、故障補償法
• 分類：主動控制、被動控制

基本概念

隨著微電子技術的飛速發展，微型計算機在工業設備中得到了廣泛套用。如何提高設備運行的安全性和可靠性是人們急待研究和解決的重要問題。關於微機本身的安全性和可靠性問題，國內外許多專家、教授和科技人員都進行了卓有成效地研究，取得了許多套用成果。

故障容錯控制技術以故障檢測為基礎，採用多種綜合容錯控制策略，對工業設備運行過程中的故障具有自動檢測、分離、補償、抑制和消除功能，為提高設備運行的安全性和可靠性提供了一種可行方法。

故障容錯控制系統

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1 所示。

圖1

該系統主要由硬體和軟體兩部分組成。

硬體部分

硬體部分主要包括信號檢測感測器、二次儀表、接口板、微型機、容錯控制器硬體等，其組成原理如圖2所示。感測器檢測的信號通過多路切換開關並經放大後送入A/D轉換器將模擬信號轉換成數位訊號。轉換結束後，12位數碼自動鎖存到數據暫存器中，經計算機採樣、處理，分離出故障信號，並進行顯示、記錄和報警。對於可控故障，信號經D/A轉換後送入容錯控制器，並通過執行機構自動對故障實現容錯控制。

圖2

軟體部分

該系統軟體採用模組結構，主要包括數據採集、圖形顯示、信號處理、故障檢測與診斷及容錯控制等模組。

圖1中的檢測診斷模組用於工業設備故障信息的獲取、處理、識別和預測，其結果以檔案形式存於資料庫，並按設定的時際對無用的歷史數據不斷地進行刷新。容錯控制模組由若干不同功能的容錯子塊組成，藉助於硬體機構的支持，對故障自動進行補償、抑制、削弱和消除。

故障容錯控制分類

容錯控制研究的是當系統發生故障是的控制問題，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。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。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。

故障容錯控制實現方法

故障檢測與診斷

故障檢測與診斷是實現故障容錯的基礎。為了實現故障容錯，必須適時準確地檢測出故障信息。故障檢測與診斷通常包括以下幾個方面的內容：尋找故障源；確定故障的位置、大小、類型及原因；評價故障的影響程度；預測故障的發展趨勢；對檢測診斷結果做出處理決策。

工業設備在運行過程中，由於設備的複雜性，給故障檢測與診斷帶來了一定的困難。為了適時準確地檢測設備的故障信息，必須選擇合適的檢測診斷方法。目前用於工業設備故障檢測與診斷的方法很多，可以概括為兩類：基於數學模型的故障檢測與診斷和不依賴於數學模型的故障檢測與診斷。如果故障能用某幾個參數的顯著變化來表示，那么可以用參數估計法進行故障檢測與診斷。

參數估計法由於能實時跟蹤參數的變化，並具有直觀、簡單等優點，因此在故障檢測與診斷中得到了廣泛套用。

故障決策與控制

障檢測可以提供設備的故障信息；故障診斷能夠確定故障的部位、類型、程度及發展趨勢；故障決策與控制能夠根據不同的故障源和故障特徵作出處理方案，並採取相應的容錯控制措施，對故障進行補償、抑制、削弱和消除。對於工業設備，為了實現故障容錯，可以採用如下兩種方式。

（1）綜合冗餘法

冗餘就是指多餘資源。綜合冗餘法就是將多種冗餘資源綜合運用以實現故障容錯。對於微機監測設備，可供利用的冗餘資源有硬體、軟體、時間和信息。硬體冗餘的基本思想是對工業設備容易損壞的關鍵部件採用多重儲備方式，當某一部件發生故障時，立即用備用部件代替故障部件，以保證設備繼續安全正常運轉；軟體冗餘又分解析冗餘、功能冗餘和參數冗餘三種，它是利用設備中不同部件在功能上的冗餘性，通過估計以實現故障容錯；時間冗餘是通過消耗時間資源來達到故障容錯．如指令復執、程式卷回、有效地降低設備的運行速度等都可以抑制和削弱故障的影響；信息冗餘是依靠增加信息的多餘度來提高微機監測設備的可靠性 在進行故障容錯系統設計時，以上幾種資源可以綜合運用以提高工業設備的故障容錯能力。

（2）故障補償法

故障補償分軟補償和硬補償兩種。對於軟性故障可以通過調整系統的某些性能參數或設計故障補償來實現故障容錯。圖3為觀測器加狀態反饋組成的動態故障補償結構圖。通過設計相應的故障補償器，就可以實現故障容錯。圖4為軸承偏心時故障補償原理圖。圖中的軸承偏心補償器能夠利用軸承產生的偏心誤差量，通過調整轉軸的同心度，自動對軸承偏心故障進行修正和補償。

圖3

圖4