容错控制理论及其应用_周东华

第26卷　第6期

2000年11月自　动　化　学　报A CT A A U T OM A T IC A SIN ICA V o l.26,N o.6N ov.,20001)国家自然科学基金、“八六三”计划与教育部资助项目.

收稿日期　1999-03-08 收修改稿日期　1999-10-11

综述

容错控制理论及其应用

1)周东华

(清华大学自动化系　北京　100084)　Ding X (Lausitz 大学电气工程系　德国)(E-mail :ZDH @mail.au.tsingh )

摘　要　介绍了经典容错控制的主要研究成果及近年来发展起来的鲁棒容错控制和非线性

系统的故障诊断与容错控制,并给出了容错控制的一些典型应用成果.最后,指出了该领域

亟待解决的一些热点与难点问题.

关键词　动态系统,容错控制,故障诊断,集成,鲁棒性.

THEORY AND APPLICATIONS OF FAULT

TOLERANT C ONTROL

ZHO U Donghua

(Dept .of Auto matio n ,Ts inghua University ,Beijing 100084)

DIN G X

(Dept .of EE ,Lausitz Un iv .,G erman y )

Abstract

　A survey of f ault t olerant cont rol f or dynamic systems is presented .The main results i n classical fault tolerant cont rol are first ly int roduced.Then,empha-sis is put on the robust f ault tolerant cont rol as w ell as the fault diag nosi s and fault

tolerant cont rol of nonlinear syst ems dev eloped i n recent years.Some typical appli-

cation results of faul t tolerant cont rol are discussed ,and finally ,some open ques-tions are point ed out .

Key words Dynamic systems,f ault tolerant cont rol,fault diagnosis,i ntegratio n,

robust ness .

1　引言

现代系统正朝着大规模、复杂化的方向发展,这类系统一旦发生事故就有可能造成

人员和财产的巨大损失.如1998年8月到1999年5月的短短的10个月间,美国的3种运载火箭“大力神”、“雅典娜”、“德尔他”共发生了5次发射失败,造成了30多亿美元的直接经济损失,迫使美国航天局于1999年5月下令停止了所有的商业发射计划,对美国的航天计划造成了严重的打击.因此,人们迫切需要提高现代系统的可靠性与安全性.基于解析冗余的动态系统的故障诊断与容错控制则为提高复杂系统的可靠性开辟了一条新的途径.

动态系统的容错控制(Fault Tolerant Control,FTC)是伴随着基于解析冗余的故障诊断技术的发展而发展起来的.如果在执行器、传感器或元部件发生故障时,闭环控制系统仍然是稳定的,并仍然具有较理想的特性,就称此闭环控制系统为容错控制系统[1].1991年,瑞典的Astro m 教授明确指出容错控制具有使系统的反馈对故障不敏感的作用.容错控制方法一般可以分成两大类,即被动容错控制(passiv e FTC)和主动容错控制(ac-tiv e FTC ).

容错控制的思想最早可以追溯到1971年,以Niederlinski 提出完整性控制(integ ral control)的新概念为标志[2];Siljak [3]于1980年发表的关于可靠镇定的文章是最早开始专门研究容错控制的文章之一.然而,直到1993年,国际上才出现了由现任IFAC 技术过程的故障诊断与安全性专业委员会主席Pa tto n 教授撰写的容错控制的综述文章[1,4],目前尚未见到国外有容错控制的专著问世.值得指出的是,我国在容错控制理论上的研究基本上与国外同步.1987年叶银忠等就发表了容错控制的论文,并于次年发表了这方面的第一篇综述文章[5].1994年葛建华等出版了我国第一本容错控制的学术专著[5].国内发表的这方面的综述文章还有文[6].

动态系统的故障检测与诊断(Fa ult Detectio n a nd Diag nosis,FDD)是容错控制的重要支撑技术之一.FDD 技术的发展已大大超前于容错控制的发展,其理论与应用成果也远远多于容错控制方面的成果.目前国际上每年发表的有关FDD 方面的论文与报告在数千篇以上.基于解析冗余的故障诊断技术被公认为起源于Beard 在1971年发表的博士论文[7].1976年,Willsky 在Automa tica 上发表了第一篇FDD 方面的综述文章[8].H im-m elblau 于1978年出版了国际上第一本FDD 方面的学术著作

[9].随后报导的这方面的重

要综述文章与著作参见文[10～16].我国开始FDD 技术的研究要比国外晚十年左右.清华大学的方崇智教授等从1983年起开始了FDD 技术的研究工作.1985年叶银忠等在《信息与控制》上发表了国内第一篇FDD 技术的综述文章[17]

.1994年周东华等在清华大学出版社出版了国内第一本FDD 技术的学术专著[18].随后几年出版的学术著作还有文[19]和文[20].

国际自动控制界对容错控制的发展给予了高度重视.1986年9月在美国Santa Clara 大学举行的自动控制高峰会议上,把多变量鲁棒、自适应和容错控制列为控制科学面临的富有挑战性的研究课题[21].在国际上,领导着容错控制学科发展的是1993年成立的I -

FAC 技术过程的故障诊断与安全性技术委员会.从1991

年起IFAC 每三年定期召开FDD 与FTC 方面的国际专题学术会议.在近几届的IFAC 世界大会上,FDD 与FTC 方面的论文在不断增加.据笔者统计,1999年7月在北京召开的第14届IFAC 世界大会上,这方面的学术论文已达60篇,成为了最热门的几个研究方向之一[22～26].容错控制发展至今只有20年左右的历史,因此这是一门新兴交叉学科.促使这门学科789　6期周东华等:容错控制理论及其应用