[科普中国]-故障容错控制

基本概念

随着微电子技术的飞速发展，微型计算机在工业设备中得到了广泛应用。如何提高设备运行的安全性和可靠性是人们急待研究和解决的重要问题。关于微机本身的安全性和可靠性问题，国内外许多专家、教授和科技人员都进行了卓有成效地研究，取得了许多应用成果。

故障容错控制技术以故障检测为基础，采用多种综合容错控制策略，对工业设备运行过程中的故障具有自动检测、分离、补偿、抑制和消除功能，为提高设备运行的安全性和可靠性提供了一种可行方法。

故障容错控制系统故障就是指工业设备的特征性质发生了显著恶化，以致使其难以完成预期功能。故障容错控制就是在设备发生故障之前或故障之后，根据检测的故障信息，针对不同的故障源和故障特征，采取相应的容错控制措施，保证设备正常运转；或以牺牲性能损失为代价，保证设备在规定时间内完成其基本功能。故障容错控制系统的基本结构如图1 所示1。

图1

该系统主要由硬件和软件两部分组成。

硬件部分硬件部分主要包括信号检测传感器、二次仪表、接口板、微型机、容错控制器硬件等，其组成原理如图2所示。传感器检测的信号通过多路切换开关并经放大后送入A/D转换器将模拟信号转换成数字信号。转换结束后，12位数码自动锁存到数据寄存器中，经计算机采样、处理，分离出故障信号，并进行显示、记录和报警。对于可控故障，信号经D/A转换后送入容错控制器，并通过执行机构自动对故障实现容错控制。

图2

软件部分该系统软件采用模块结构，主要包括数据采集、图形显示、信号处理、故障检测与诊断及容错控制等模块。

图1中的检测诊断模块用于工业设备故障信息的获取、处理、识别和预测，其结果以文件形式存于数据库，并按设定的时际对无用的历史数据不断地进行刷新。容错控制模块由若干不同功能的容错子块组成，借助于硬件机构的支持，对故障自动进行补偿、抑制、削弱和消除。

故障容错控制分类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”。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)2。

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。

主动容错控制被动容错控制方法虽然能够保持一定的系统性能，但其大多研究考虑的仅是线性系统。而且由于该方法只从鲁棒性考虑，一是难免保守，二是其对故障容错的自适应能力非常有限。而主动容错控制是在故障发生后根据故障情况对控制器的参数重新调整，甚至还要改变结构。也就是说主动容错控制对发生的故障能够进行主动处理。其对故障何时发生，故障发生幅度的自适应性容错能力相比被动容错控制强了许多。多数主动容错控制需要故障诊断子系统，少部分虽然不需要，但需要已知各种故障的先验知识。因此主动容错控制需要设计较多的控制算法，虽然如此，但其能够更大限度的提高控制系统的性能。因此，主动容错控制受到研究者的更多关注。主动容错控制通常按照容错控制器的重构规则，分为控制律重新调度、控制律重构设计和模型跟随重组控制。

故障容错控制实现方法故障检测与诊断故障检测与诊断是实现故障容错的基础。为了实现故障容错，必须适时准确地检测出故障信息。故障检测与诊断通常包括以下几个方面的内容：寻找故障源；确定故障的位置、大小、类型及原因；评价故障的影响程度；预测故障的发展趋势；对检测诊断结果做出处理决策。

工业设备在运行过程中，由于设备的复杂性，给故障检测与诊断带来了一定的困难。为了适时准确地检测设备的故障信息，必须选择合适的检测诊断方法。目前用于工业设备故障检测与诊断的方法很多，可以概括为两类：基于数学模型的故障检测与诊断和不依赖于数学模型的故障检测与诊断。如果故障能用某几个参数的显著变化来表示，那么可以用参数估计法进行故障检测与诊断。

参数估计法由于能实时跟踪参数的变化，并具有直观、简单等优点，因此在故障检测与诊断中得到了广泛应用。

故障决策与控制障检测可以提供设备的故障信息；故障诊断能够确定故障的部位、类型、程度及发展趋势；故障决策与控制能够根据不同的故障源和故障特征作出处理方案，并采取相应的容错控制措施，对故障进行补偿、抑制、削弱和消除。对于工业设备，为了实现故障容错，可以采用如下两种方式。

（1）综合冗余法

冗余就是指多余资源。综合冗余法就是将多种冗余资源综合运用以实现故障容错。对于微机监测设备，可供利用的冗余资源有硬件、软件、时间和信息。硬件冗余的基本思想是对工业设备容易损坏的关键部件采用多重储备方式，当某一部件发生故障时，立即用备用部件代替故障部件，以保证设备继续安全正常运转；软件冗余又分解析冗余、功能冗余和参数冗余三种，它是利用设备中不同部件在功能上的冗余性，通过估计以实现故障容错；时间冗余是通过消耗时间资源来达到故障容错．如指令复执、程序卷回、有效地降低设备的运行速度等都可以抑制和削弱故障的影响；信息冗余是依靠增加信息的多余度来提高微机监测设备的可靠性 在进行故障容错系统设计时，以上几种资源可以综合运用以提高工业设备的故障容错能力。

（2）故障补偿法

故障补偿分软补偿和硬补偿两种。对于软性故障可以通过调整系统的某些性能参数或设计故障补偿来实现故障容错。图3为观测器加状态反馈组成的动态故障补偿结构图。通过设计相应的故障补偿器，就可以实现故障容错。图4为轴承偏心时故障补偿原理图。图中的轴承偏心补偿器能够利用轴承产生的偏心误差量，通过调整转轴的同心度，自动对轴承偏心故障进行修正和补偿。

图3

图4