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1、容錯(cuò)控制系統(tǒng)培訓(xùn)2011年8月第8/8頁3.1容錯(cuò)控制系統(tǒng)3.1.1容錯(cuò)控制概述容錯(cuò)原是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)中的一個(gè)概念,指當(dāng)系統(tǒng)在遭受到內(nèi)部環(huán)節(jié)的局部故障或失效后,仍然可以繼續(xù)正常運(yùn)行的特性。將此概念引入到控制系統(tǒng)中,產(chǎn)生了容錯(cuò)控制的概念。容錯(cuò)技術(shù)是指系統(tǒng)對故障的容忍技術(shù),也就是指處于工作狀態(tài)的系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵部分發(fā)生故障時(shí),能自動檢測與診斷,并能采取相應(yīng)措施保證系統(tǒng)維持其規(guī)定功能或保持其功能在可接受的范圍內(nèi)的技術(shù)。如果在執(zhí)行器、傳感器、元部件或分系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),閉環(huán)控制系統(tǒng)仍然是穩(wěn)定的,仍具有完成基本功能的能力,并仍然具有較理
2、想的動態(tài)特性,就稱此閉環(huán)控制系統(tǒng)為容錯(cuò)控制系統(tǒng)。3.1.2容錯(cuò)控制分類根據(jù)不同的產(chǎn)品和客戶需求,容錯(cuò)控制系統(tǒng)分類方式有多種,重點(diǎn)介紹兩種:n按設(shè)計(jì)分類:被動容錯(cuò)控制、主動容錯(cuò)控制;n按實(shí)現(xiàn)分類:硬件容錯(cuò)、功能容錯(cuò)和軟件容錯(cuò)。3.1.2.1按設(shè)計(jì)分類的容錯(cuò)控制1被動容錯(cuò)控制介紹被動容錯(cuò)控制是設(shè)計(jì)適當(dāng)固定結(jié)構(gòu)的控制器,該控制器除了考慮正常工作狀態(tài)的參數(shù)值以外,還要考慮在故障情況下的參數(shù)值。被動容錯(cuò)控制是在故障發(fā)生前和發(fā)生后使用同樣的控制策略,不進(jìn)行調(diào)節(jié)。被動容錯(cuò)控制包括:同時(shí)鎮(zhèn)定,完整性控制,魯棒性容錯(cuò)控制,即可靠控制等幾種類型。2主動
3、容錯(cuò)控制介紹主動容錯(cuò)控制是在故障發(fā)生后需要重新調(diào)整控制器參數(shù),也可能改變控制器結(jié)構(gòu)。主動容錯(cuò)控制包括:控制器重構(gòu),基于自適應(yīng)控制的主動容錯(cuò)控制,智能容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)的方法。3.1.2.2按實(shí)現(xiàn)分類的容錯(cuò)控制1硬件容錯(cuò)技術(shù)第8/8頁容錯(cuò)控制系統(tǒng)中通常采用的余度技術(shù),主要涉及硬件方面,是指對計(jì)算機(jī)、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行硬件備份,如圖3所示。在系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵部件失效時(shí),通過監(jiān)控系統(tǒng)檢測及監(jiān)控隔離故障元件,并采用完全相同的備用元件來替代它們以維持系統(tǒng)的性能不變或略有降級(但在允許范圍之內(nèi))。硬件冗余技術(shù)雖然可以提高系統(tǒng)的可靠性,但增加了
4、系統(tǒng)的備用部件,提高了控制系統(tǒng)的成本,也增加了元件故障的概率。圖3簡易三余度控制系統(tǒng)方框圖隨著控制系統(tǒng)的規(guī)模日益增大,復(fù)雜性迅速提高,其結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜,對數(shù)量龐大的系統(tǒng)單元全部采用硬件冗余有時(shí)是不可能的。隨之產(chǎn)生了基于解析余度的功能容錯(cuò)控制技術(shù)。2功能容錯(cuò)技術(shù)功能容錯(cuò)技術(shù)是基于控制系統(tǒng)不同部件的內(nèi)在聯(lián)系和功能上的冗余性,當(dāng)系統(tǒng)的某些部件失效時(shí),用其余完好的部件部分甚至全部地承擔(dān)起故障部件所喪失的作用,以維持系統(tǒng)的性能在允許范圍之內(nèi)。重構(gòu)容錯(cuò)控制是容錯(cuò)控制的一種重要方法,它主要基于故障診斷技術(shù),重新組合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),以達(dá)到容錯(cuò)控制
5、的目的。如圖4所示,重構(gòu)控制是針對系統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)損傷,充分利用系統(tǒng)的功能冗余來實(shí)現(xiàn)控制律的重構(gòu)。重構(gòu)控制實(shí)質(zhì)上是減少了傳統(tǒng)余度控制中多重硬件冗余和軟件冗余的方法,依托系統(tǒng)自身的功能冗余,使系統(tǒng)性能在發(fā)生故障時(shí)能得以恢復(fù)或維持。以飛機(jī)控制系統(tǒng)為例,當(dāng)飛機(jī)某些舵面發(fā)生故障后,通過重構(gòu)控制策略,將失效舵面的控制效果分配給健全的舵面,以補(bǔ)償失效舵面的影響,保證飛機(jī)安全飛行或著陸。圖4重構(gòu)飛行控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)第8/8頁3軟件容錯(cuò)技術(shù)軟件容錯(cuò)的目的是屏蔽軟件故障,恢復(fù)因出錯(cuò)而影響程序運(yùn)行進(jìn)程。這類系統(tǒng)對硬件瞬時(shí)干擾引起的故障也能起到一定的屏蔽
6、作用。軟件容錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)中需要硬件的保證和協(xié)同,如果軟件容錯(cuò)配合合理的硬件冗余,可以起到比各自獨(dú)自考慮容錯(cuò)更好的作用。常用的軟件容錯(cuò)技術(shù)包括:多版本編程技術(shù),恢復(fù)塊技術(shù)等。(1)多版本編程技術(shù)多版本編程由V個(gè)實(shí)現(xiàn)相同功能的不同程序和一個(gè)管理程序組成,其結(jié)果經(jīng)相互比較(表決)后輸出,這種比較或表決可以采用多數(shù)決定、一致決定等方式。N個(gè)版本的程序產(chǎn)生的結(jié)果送管理程序中的比較向量,由管理程序的比較狀態(tài)指示器發(fā)出表決指令,然后決定輸出運(yùn)算結(jié)果還是輸出報(bào)警。圖5多版本編程冗余基本結(jié)構(gòu)(2)恢復(fù)塊技術(shù)恢復(fù)塊技術(shù)首先認(rèn)為程序是由若干個(gè)可以獨(dú)立定義的塊
7、來構(gòu)成,每個(gè)塊都可以用一個(gè)根據(jù)同一需求說明設(shè)計(jì)的不同版本的備用塊來替換,每個(gè)版本的模塊和接受測試及恢復(fù)結(jié)構(gòu)一起構(gòu)成一個(gè)恢復(fù)塊結(jié)構(gòu)。其基本工作方式是:運(yùn)行模塊1,然后進(jìn)行接收測試,如果通過測試便將輸出結(jié)果給后續(xù)程序塊:否則,調(diào)用模塊2,??直到調(diào)用模塊N,在N個(gè)模塊用完后仍未通過測試,便進(jìn)行出錯(cuò)處理。隨著容錯(cuò)控制系統(tǒng)的發(fā)展,現(xiàn)在軟件部分在控制系統(tǒng)中的地位越來越重要了,甚至很多時(shí)候是容錯(cuò)控制系統(tǒng)的核心。這樣,控制系統(tǒng)的可靠性的特性就由原來的硬件為主,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檐浻布嘟Y(jié)合,軟硬件同等重要的情況。第8/8頁圖6恢復(fù)塊冗余基本結(jié)構(gòu)3.1.1
8、容錯(cuò)控制特點(diǎn)典型的容錯(cuò)控制系統(tǒng)一般由傳感器、計(jì)算機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成。在各個(gè)部分分別采用硬件余度通過表決監(jiān)控方式提高系統(tǒng)可靠性的同時(shí),通過容錯(cuò)計(jì)算機(jī)控制,可以采用復(fù)雜的重構(gòu)控制策略,在不增加系統(tǒng)硬件復(fù)雜性的前提下提高系統(tǒng)的可靠性。