容错控制及应用
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精品PPT
使得故障反馈系统的特征值 ci 和特征向量 fi 满足
两个条件：
n
2
min Kf
i 1
fi
ci
min V fi Vi 2
i 1,2,3,..., n
基于系统特征值和特征矢量配置方法，即可得到上 述反馈矩阵Kf的计算公式。
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3.2.2 完整性控制器设计 完整性指的是当控制系统中有一个或多个部
通过估计技术或其他软件算法来实现控制系 统容错性具有性能好、功能强、成本低和易实现 等特点。
3.2.1 控制器重构
重构的原则是使重构后的系统在性能上尽量 接近原系统，或者即使系统性能有所降低，也能 保证系统的最低性能要精求品PP，T 如稳定性等。
• 利用测量之间或控制之间的依赖关系
设有如下系统
•
x Ax Bu
1.2 概念 容错控制（fault-tolerance control）的概
念是1986年9月正式提出的。容错的指导思想是： 一个控制系统迟早会发生故障，因此在设计控制 系统时就应该考虑会发生故障和这种故障可能会 对系统的性能有很大的影响。
精品PPT
容错控制系统（fault-tolerance control system）是在元部件（或分系统）出现故障时仍 具有完成基本功能能力的系统，其科学意义就是 要尽量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。
被动容错控制是在故障发生前和发生后使用同样的控 制策略，不进行调节。
被动容错控制包括：同时镇定，完整性控制，鲁棒性 容错控制，即可靠控制等几种类型。
• 主动容错控制
主动容错控制是在故障发生后需要从新调整控制器参 数，也可能改变控制器结构。
主动容错控制包括：控制器重构，基于自适应控制的 主动容错控制，智能容错控制器设计的方法。
y Cx
式中，C∈Rm×n；A∈Rn×n；B∈Rn×r
在第i个传感器失效后（C矩阵的第i行变为零）
有输出
yf Cf x
式中，Cf是C去掉第i行所得到的矩阵； yf是y去掉yi后得到的矢量。
精品PPT
设第i个传感器和其他传感器输出有线性依赖关系
即 yˆi Ciy f
Ci R1m1
所以可以从m-1维的输出yf综合出m维的输出 yˆ
件失效时，系统仍能保持稳定性的性质。 • 时域设计方法
在被控对象是渐进稳定的假设中，以用 lyapunov矩阵方程的半正定解来构造对执行器失 效具有高度完整性的控制律。
考虑线性可控系统 x Ax Bu
A的特征值均在左半平面，则状态反馈控制律
u LBT Px
精品PPT
对于任意L∈l可保证系统渐进稳定。其中，
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容错控制分类
容错控制可以从不同的角度分类
• 按系统：线性系统容错控制和非线性系统容错控 制
• 按克服故障部件：执行器、传感器、控制器故障 容错控制
• 按设计方法特点：被动容错控制、主动容错控制
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• 被动容错控制
其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，还要考虑在故障情况下的参 数值。
容错控制及应用
fault-tolerance control&application
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主要内容
• 概述 • 容错控制分类 • 容错控制设计的主要方法 • 容错控制的应用 • 容错控制存在的问题和发展展望
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概述
1.1 引言 随着工业过程越来越趋向于大型化和复杂化，
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，切实保障现代复杂过 程的可靠性与安全性，具有十分重要的意义。
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容错控制设计的主要方法
容错控制器的设计方法有硬件冗余方法和解 析冗余方法两大类。 3.1 基于硬件结构上的考虑
对于某些子系统可以采用双重或更高重备份 的方法来提高系统的可靠性。只要能建立起冗余 的信号通道，这种方式可用于对任何硬件环节失 效的容错控制。
从设计原则着眼，又可分为下列几种：
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其设计思想是，当系统有传感器失效时，必
然使一些状态成为不可测状态，即使一些
Hale Waihona Puke Ki0。选择[k1,...,kn]的取值范围，使得某些ki由正常
值变0后，K’=[k1,...,0,...,kn]依然处在KΓ上。
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3.3.3 基于自适应估计的容错控制器设计
多模型自适应控制就是要给定的m+1个状态空 间模型中，在线的选取一个与对象实际特性最接 近的模型，并据此设计控制器。实际上就是m+1个 单模型设计的问题，关键是正确选择模型。
P
P
T
PT
11 s
s n T n s si
i 1
si ,i 1, , n
设有控制律 u=-KTx
KT=(k1,...,kn)
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将PΓ映射到V参数空间上可得KΓ={K|使P∈PΓ的K}
显然 K T PT 1 E
eT
E
eT An
eT 0, ,0,1b, ab, , An1b 1
P满足方程
PA AT P Q 0
若Q≥0，则（A，Q1/2）是可观测的。
s1
0
•
l
•
•
0
sn
1 si 精品P0PT
第i个执行器正常 第i个执行器故障
• 参数空间设计法
设单输入系统 x Ax Bu
首先在s平面上为闭环系统的特征值确定一个 允许的区域Γ，将s平面上的Γ域映射到参数空间U 中，可得PΓ,即
• 使重构系统的特性结构尽可能接近原系统的特征
结构
Velle讨论了状态反馈系统执行器中断时，状态 反馈矩阵的重构问题。其基本思想是重新计算状 态反馈矩阵，使闭环反馈系统在正常条件和故障 发生后的特征值和特征矢量尽可能接近，设ci和Vi 是闭环系统正常状态下的特征值和特征矢量，当 系统发生故障后，希望寻找新的反馈矩阵 K f ，
3.1.1 静态硬件冗余 例如设置三个单元执行同一项任务，把他的处
理结果，如被控变量相互比较，按多数原则（三 中去二）确定判断和确定结构值。
3.1.2 动态硬件冗余 如果某台在干预范围内的装置出错，就将候补
装置切换上去，由他接替前者工作。
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3.2 基于解析冗余上的考虑
与“硬件冗余”相对的是“软件冗余”，软 件冗余又可分为解析冗余、功能冗余和参数冗余 三种，他是利用系统中不同部件在功能上的冗余 性，通过估计，以实现故障容错。
使得故障反馈系统的特征值 ci 和特征向量 fi 满足
两个条件：
n
2
min Kf
i 1
fi
ci
min V fi Vi 2
i 1,2,3,..., n
基于系统特征值和特征矢量配置方法，即可得到上 述反馈矩阵Kf的计算公式。
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3.2.2 完整性控制器设计 完整性指的是当控制系统中有一个或多个部
通过估计技术或其他软件算法来实现控制系 统容错性具有性能好、功能强、成本低和易实现 等特点。
3.2.1 控制器重构
重构的原则是使重构后的系统在性能上尽量 接近原系统，或者即使系统性能有所降低，也能 保证系统的最低性能要精求品PP，T 如稳定性等。
• 利用测量之间或控制之间的依赖关系
设有如下系统
•
x Ax Bu
1.2 概念 容错控制（fault-tolerance control）的概
念是1986年9月正式提出的。容错的指导思想是： 一个控制系统迟早会发生故障，因此在设计控制 系统时就应该考虑会发生故障和这种故障可能会 对系统的性能有很大的影响。
精品PPT
容错控制系统（fault-tolerance control system）是在元部件（或分系统）出现故障时仍 具有完成基本功能能力的系统，其科学意义就是 要尽量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。
被动容错控制是在故障发生前和发生后使用同样的控 制策略，不进行调节。
被动容错控制包括：同时镇定，完整性控制，鲁棒性 容错控制，即可靠控制等几种类型。
• 主动容错控制
主动容错控制是在故障发生后需要从新调整控制器参 数，也可能改变控制器结构。
主动容错控制包括：控制器重构，基于自适应控制的 主动容错控制，智能容错控制器设计的方法。
y Cx
式中，C∈Rm×n；A∈Rn×n；B∈Rn×r
在第i个传感器失效后（C矩阵的第i行变为零）
有输出
yf Cf x
式中，Cf是C去掉第i行所得到的矩阵； yf是y去掉yi后得到的矢量。
精品PPT
设第i个传感器和其他传感器输出有线性依赖关系
即 yˆi Ciy f
Ci R1m1
所以可以从m-1维的输出yf综合出m维的输出 yˆ
件失效时，系统仍能保持稳定性的性质。 • 时域设计方法
在被控对象是渐进稳定的假设中，以用 lyapunov矩阵方程的半正定解来构造对执行器失 效具有高度完整性的控制律。
考虑线性可控系统 x Ax Bu
A的特征值均在左半平面，则状态反馈控制律
u LBT Px
精品PPT
对于任意L∈l可保证系统渐进稳定。其中，
精品PPT
容错控制分类
容错控制可以从不同的角度分类
• 按系统：线性系统容错控制和非线性系统容错控 制
• 按克服故障部件：执行器、传感器、控制器故障 容错控制
• 按设计方法特点：被动容错控制、主动容错控制
精品PPT
• 被动容错控制
其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，还要考虑在故障情况下的参 数值。
容错控制及应用
fault-tolerance control&application
精品PPT
主要内容
• 概述 • 容错控制分类 • 容错控制设计的主要方法 • 容错控制的应用 • 容错控制存在的问题和发展展望
精品PPT
概述
1.1 引言 随着工业过程越来越趋向于大型化和复杂化，
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，切实保障现代复杂过 程的可靠性与安全性，具有十分重要的意义。
精品PPT
容错控制设计的主要方法
容错控制器的设计方法有硬件冗余方法和解 析冗余方法两大类。 3.1 基于硬件结构上的考虑
对于某些子系统可以采用双重或更高重备份 的方法来提高系统的可靠性。只要能建立起冗余 的信号通道，这种方式可用于对任何硬件环节失 效的容错控制。
从设计原则着眼，又可分为下列几种：
精品PPT
其设计思想是，当系统有传感器失效时，必
然使一些状态成为不可测状态，即使一些
Hale Waihona Puke Ki0。选择[k1,...,kn]的取值范围，使得某些ki由正常
值变0后，K’=[k1,...,0,...,kn]依然处在KΓ上。
精品PPT
精品PPT
3.3.3 基于自适应估计的容错控制器设计
多模型自适应控制就是要给定的m+1个状态空 间模型中，在线的选取一个与对象实际特性最接 近的模型，并据此设计控制器。实际上就是m+1个 单模型设计的问题，关键是正确选择模型。
P
P
T
PT
11 s
s n T n s si
i 1
si ,i 1, , n
设有控制律 u=-KTx
KT=(k1,...,kn)
精品PPT
将PΓ映射到V参数空间上可得KΓ={K|使P∈PΓ的K}
显然 K T PT 1 E
eT
E
eT An
eT 0, ,0,1b, ab, , An1b 1
P满足方程
PA AT P Q 0
若Q≥0，则（A，Q1/2）是可观测的。
s1
0
•
l
•
•
0
sn
1 si 精品P0PT
第i个执行器正常 第i个执行器故障
• 参数空间设计法
设单输入系统 x Ax Bu
首先在s平面上为闭环系统的特征值确定一个 允许的区域Γ，将s平面上的Γ域映射到参数空间U 中，可得PΓ,即
• 使重构系统的特性结构尽可能接近原系统的特征
结构
Velle讨论了状态反馈系统执行器中断时，状态 反馈矩阵的重构问题。其基本思想是重新计算状 态反馈矩阵，使闭环反馈系统在正常条件和故障 发生后的特征值和特征矢量尽可能接近，设ci和Vi 是闭环系统正常状态下的特征值和特征矢量，当 系统发生故障后，希望寻找新的反馈矩阵 K f ，
3.1.1 静态硬件冗余 例如设置三个单元执行同一项任务，把他的处
理结果，如被控变量相互比较，按多数原则（三 中去二）确定判断和确定结构值。
3.1.2 动态硬件冗余 如果某台在干预范围内的装置出错，就将候补
装置切换上去，由他接替前者工作。
精品PPT
3.2 基于解析冗余上的考虑
与“硬件冗余”相对的是“软件冗余”，软 件冗余又可分为解析冗余、功能冗余和参数冗余 三种，他是利用系统中不同部件在功能上的冗余 性，通过估计，以实现故障容错。