容错控制的研究现状

容错控制的研究现状

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”[28]。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)。被动容错控制通常利用鲁棒控制技术使得整个闭环系统对某些确定的故障具有不敏感性，其设计不需要故障诊断，也不必进行控制重组，其一般具有固定形式的控制器结构和参数。但常常由于故障并不是经常发生的，其设计难免过于保守，并且其性能也不可能是最优的，而且一旦出现不可预知故障，系统的性能甚至稳定性都可能无法保障[29-31]。但它可以避免在主动容错控制当中由于需要检测诊断故障以及重组控制律造成的时间滞后，而这在时间要求严格的系统控制中是很重要的，因此被动容错控制在故障检测和估计阶段是必须的，它可以保证在系统切换至主动容错控制之前系统的稳定性[29-31]。主动容错控制可以对发生的故障进行主动处理，其利用获知的各种故障信息，在故障发生后重新调整控制器参数，甚至在某些情况下需要改变控制器结构。主动容错控制大多需要故障诊断（FDD）子系统，这正是其优于被动容错控制之处。Patton教授有一著名论断，即“离开了FDD单元，容错控制所能发挥的作用就会非常有限，只能对一些特殊类型的故障起到容错的作用”[20]。

（1）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。

可靠镇定是针对控制器故障的容错控制。其研究思想始于Siljak 在1980 年[2]提出的使用多个补偿器并行镇定一个被控对象。之后一些学者又对该方法进行了深入研究[32-34]。文[32]针对单个被控对象证明了当采用两个补偿器时，能够可靠镇定的充要条件是被控对象是强可镇定的。但条件若不满足，补偿器就会出现不稳定的极点，闭环系统就不稳定；另一方面，即使条件满足并有解，如何设计这两个补偿器也是极其困难的。文[33]做了进一步研究，给出了两个动态补偿器的参数化设计方法，能够得到可靠镇定问题的解，从而部分解决了上

述问题。文[34]做了更进一步的研究，给出了针对多变量系统不满足强可镇定情况下，采用多个并列的动态补偿器进行可靠镇定问题的求解方法。综上所述，可靠镇定问题已基本趋于成熟。

联立镇定是针对被控对象内部元件故障的容错控制。实质上是设计一个控制器去镇定一个动态系统的多个模型的问题。这种方法尤其适用于非线性对象，即非线性控制往往是在某一工作点进行控制，那么工作点化，其对应线性模型也会变化，由于该设计具有联立镇定能力，所以可以镇定非线性系统的多个工作点模型。该问题近十几年来学者关注颇多[35-37]。其中文[35]是研究关于联立镇定的先驱。文[36] 基于广义的采样数据保持函数，得到了联立镇定问题有解以及实现线性二次型最优控制的充分条件，还有相应控制律的实现方法。可以说其在该问题的研究上取得了重要进展。

完整性控制是针对传感器和执行器故障的容错控制。该问题一直是被动容错控制领域研究的比较多的内容。一般来说，在控制系统中，传感器和执行器最易发生故障，因此对该问题的研究具有很高的应用价值。在某些执行器失效的情况下，即使系统开环是稳定的，闭环也会出现不稳定情况。如果在部分执行器失效时整个系统仍能稳定工作，则称该系统具有完整性。完整性控制一般研究的对象是MIMO 线性定常系统[8,38-43]。文[8] 对执行器断路的完整性问题做了研究，提出了求解静态反馈增益阵的一种简单的伪逆方法。然而，其缺陷是并不能保证闭环系统在故障状态下稳定。文[39]进一步考虑了执行器在各种故障下的容错控制问题，给出闭环系统配置在预定区域中的完整性问题的数值求解方法。该方法不仅实现了故障恢复问题，而且还考虑了故障后闭环系统恢复的动态特性问题。但其缺陷是当系统的维数大于3时，解析解不存在，甚至可能无解。文[40]基于相容非线性方程组数值优化方法，提出具有传感器故障完整性控制的状态反馈律设计法。近年来，分散关联大系统的完整性问题受到了越来越广泛的关注[41-43]。文献[41]基于D稳定条件讨论了一类大系统的完整性问题，给出了传感器故障情形下系统D稳定的充分条件。文献[42]研究了不稳定大系统的完整性问题，采用双闭环控制，分内外两个环，内环通过纯比例环节控制不稳定过程，外环基于完整性设计实现传感器故障的容错问题，并给出了控制器求解的线性矩阵不等式条件。

被动容错控制方法还有很多，诸如基于多目标线性优化和LMIs技术[44]，基于QFT方方法[47,48]，基于绝对稳定性理论[49]，基于李亚普诺夫重构理论的方法[50,51]法[45,46]，基于H

等。

（2）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[28]。

控制律重新调度是最简单的主动容错控制，其基本思想是首先离线计算出各种故障下所需的合适的控制律增益参数，当故障诊断单元获得最新故障信息后，依据信息选则一个前面计算存储的合适的增益参数，得到控制律进行容错控制[52,53]。研究表明，通过专家系统进行这类增益调度具有很好的效果[54]。

控制律重构则是近年来受到学者广泛关注的主动容错控制方法，现有的研究成果还不多[28,55-58]。该方法也要通过故障诊断单元获得故障信息，在线进行重组或重构控制律。在线重组类似控制律重新调度，先要离线设计出可能故障的容错控制律，当故障发生后，根据故障诊断单元提供的信息，重组容错控制律进行控制；在线重构则是在故障发生后，在线设计容错控制律进行容错控制。文[55]采用“混合控制器”的概念，设计了一个具有自修复功能的飞行控制系统，当诊断出某个机翼故障，就重新分配控制作用到其余执行器。该文还提出了一种通过极大化某一频域性能指标来重构控制律的新思想。文[56]针对飞机的元件故障，通过Lyapunov 方法设计了一种基于模型参考的控制律重构方法，该方法保证在飞机出现内部故障时还能稳定飞行。文[57]提出了一种基于影响图的实时专家系统容错控制方法，其将正常情况和故障情况分别处理，实际上是一个切换系统。为提高控制精度，正常时采用模型参考自适应控制律；当检测到系统出现故障，已处于不稳定的边沿时，实时切换控制律到一种简单的PI 控制器，使系统快速恢复至正常状态。控制律重构方法控制器的结构在故障前后一般并不相同，一般在故障比较严重的情况下使用。

模型跟随重组控制的思想实际上是采用模型参考自适应控制的思想，即不管故障是否发生，保证被控过程的输出始终自适应地跟踪参考模型的输出。也就是说随着故障的发生，实际过程随之发生变动，控制律随之自适应地进行重组，保持被控对象对参考模型输出的跟踪[59-61]。因此，可以说模型跟随重组容错控制不需要故障诊断单元。文[62]进一步提出了结合模型跟随重组控制与控制律重构设计的一种基于模糊学习系统的专家监控方案，并应用于F-16战斗机的容错控制。模型跟随重组方法与控制律重构方法恰恰相反，适用于在故障不太严重的情况下使用，其缺陷是不能处理故障前后系统结构发生较大变化的情况。

主动容错控制方法已有很多，主要针对线性系统的参见以下文献[63-68]。

（3）非线性系统容错控制

非线性系统控制一直以来都是控制界研究的难点和热点，而对其容错控制的研究自然更是如此。由于现有对非线性系统控制的研究大多针对特定非线性系统，因此现有针对非线性系统容错控制问题的研究也大都是针对特定的非线性系统的，且研究成果相对较少，有待进一步研究。目前对非线性系统容错控制的研究思路正如对非线性系统控制的研究思路一样，

主要也就是将在线性系统研究的方法推广至非线性系统中。同时，考虑非线性对象本身的复杂性，研究者逐步开始综合利用各种现有方法达到容错目的。

非线性系统被动容错控制方法主要有基于非线性H ∞控制的方法和基于变结构控制的方法。2008年，M. Benosman 和K.-Y . Lum 提出了针对仿射非线性系统执行器两类故障的新的被动容错控制方法[50]，该方法设计了一个基于李亚普诺夫的反馈控制器，当标称系统局部一致渐进稳定时，能够保证故障系统的局部一致渐进稳定。但其缺陷是与标称稳定控制相关的闭环李亚普诺夫函数必须可以获得。2009年，M. Benosman 和K.-Y . Lum 又在文献[69]当中提出了处理执行器失效故障的一种被动容错控制方法，该方法不局限于仿射非线性系统，它对一大类非线性系统都是有效的，同时也考虑了输入饱和；缺陷是，当处理多状态变量模型时，检查是否满足其条件非常困难。

非线性系统主动容错控制方法主要有基于观测器或滤波器的方法，基于自适应控制的方法和基于人工智能技术的方法。

①基于观测器或滤波器的方法

该类方法主要利用观测器或滤波器估计故障的参数，其基本思想是对系统状态和故障参数进行估计，利用得到的估计值设计容错控制律。该类方法尤其适用于故障参数为定常的情况。

基于滤波器方法的基本思想是将系统和未知的故障参数扩展成统一的高维系统，而后利用卡尔曼滤波器，强跟踪滤波器和粒子滤波器等技术估计该高维系统的状态，从而获得故障参数的估计值。文献[70]针对连续搅拌釜式反应器，利用强跟踪滤波器的偏差分离估计算法对系统状态和等价偏差进行在线估计，当某个传感器发生故障，就用其测量变量的估计值替代真实值进行闭环控制，从而使得故障系统保持稳定。文献[71]将上面的思想拓展到相对阶为1的非线性系统的一般模型控制中。文献[72]进一步将上述思想推广到了非线性时滞系统。

基于观测器的方法主要利用自适应观测器和扰动观测器等技术。Boskovic [73,74]针对太空船模型，研究了当执行器出现故障的容错控制，其方法就是通过自适应观测器得到故障参数，保证快速且准确地检测和辨识执行器故障，同时考虑控制输入饱和的情况下跟踪误差收敛至零。Kabore [75]针对未知时变故障下的仿射非线性系统，设计了适当的非线性自适应观测器，采用伪逆的方法设计了容错控制律，仿真验证了所提方法的有效性。Jiang [67,76,77]也在自适应观测器的设计和容错控制上做了大量工作。

②基于非线性H ∞控制的方法

该类方法的主要思想是被动容错控制的思想，其设计目标是使某些特定的故障到系统输出的2L 增益小于某个给定值。早在1992年，Van der Schaft [78]指出非线性系统的H ∞控制问题的解可以由Hamiltom-Jacobi 方程得到，Hamiltom-Jacobi 方程是线性H ∞控制理论中Riccati 方程的推广。由此非线性H ∞控制理论带动了基于H ∞控制的容错方法的发展，取得了一些成果[79,80]。Yang [79,80] 根据非线性H ∞控制理论，利用Hamiltom-Jacobi 方程，通过引入两个

冗余函数，将Medanic[81]针对线性系统提出的基于H∞控制的容错控制方法推广到非线性系统。文献[82]也利用Hamiltom-Jacobi不等式代替线性系统的代数Riccati方程，提出了状

控制态反馈控制器，能够实现非线性系统在执行器失效故障下的容错控制。然而，基于H

∞

的方法需要解Hamiltom-Jacobi方程，虽然其求解有一些数值解法，但本身是个远未解决的问题。

③基于人工智能技术的方法

该类方法是非线性系统容错控制中研究比较多的一类方法。人工智能技术主要有神经网络，模式识别，专家系统，模糊逻辑和遗传算法等[83]。按照利用人工智能技术目的的不同，分为利用人工智能技术建模，利用人工智能技术估计和利用人工智能技术控制三类。

利用人工智能技术建模的方法主要是为了克服建立非线性解析模型的困难。众所周知，线性系统由于具有良好性质，解析模型容易获得，分析与综合都比较简单。而非线性系统具有复杂的性质，获得解析模型非常困难，分析和综合自然也极为困难。而神经网络技术可以直接利用输入输出数据在一定程度上逼近实际对象，从而克服非线性系统建模的困难[84]。还有利用模糊逻辑的方法，能够以一组线性子系统去逼近非线性系统，从而实现从建模上简化非线性系统。如此通过人工智能的方法得到这样的线性模型，那么容错控制的分析和设计就变得较为容易[85-89]。

利用人工智能技术的方法估计主要是指利用智能技术估计系统的诸如不确定项，未知扰动和故障函数等。该类方法可以避免设计非线性系统的观测器或滤波器的困难。文献[90]针对可输入输出反馈线性化的非线性时变系统，通过微分几何的方法将系统转换为已知的线性动态和未知的非线性时变动态之和，其中未知的时变动态项包含故障动态。然后利用神经网络或模糊逻辑估计系统的非线性动态并将自适应控制看作跟踪问题设计了相应的故障补偿算法。该方法适用的系统范围相对较广，对于事先没考虑到的新颖故障具有一定的容错控制能力。Polycarpou[91,92]提出了一种基于学习方法的在线故障估计器的容错控制方法。利用在线估计器得到故障的估计值，根据估计器参数变化设计相应的容错控制器。

最近，关于非线性系统的主动容错控制的研究如下：

在文献[51]中，作者研究了仿射非线性系统性能降低的问题。该方法是基于优化的方法，它给出了一种故障发生后在线重新形成参考输出的方法。在线重新形成参考输出是基于在线的MPC重组控制器，强制故障后系统跟踪新的参考输出。这种基于优化的方法可以处理对于输入和状态受限的情况以及非最小相位系统的稳定逆部分，然而，对于大型模型在线计算时间是一个必须考虑的问题。

在文献[92]中，作者采用一种基于学习方法的结构调整反馈控制律来稳定故障后的系统。该方法假定存在一个标称控制器能够保证标称系统一致稳定，并也假设与标称稳定反馈系统相关的闭环李亚普诺夫函数可以获得，在满足匹配条件的假设下，作者证明了得到的反馈控制器能够稳定故障系统。从上述可以看出，该方法的一个缺陷就是必须获得一个闭环李

亚普诺夫函数形式。本文在该文的基础上，采用了轨迹线性化控制律，从而得到一个不显含李亚普诺夫函数的补偿反馈控制律，从而增强了该算法的实用性。

在文献[93,94]中，作者提出了一种基于backstepping的自适应主动容错控制方法。在假设FDD模块能够检测和估计故障的情况下，作者提出三段控制器，分别是小于故障检测时刻控制器，大于故障检测时刻同时小于故障隔离时刻的控制器和大于故障隔离时刻控制器。三个控制器都是基于自适应backstepping方法。作者证明了在假定有界不确定和有界故障估计误差的情况下，所有信号和估计参数是一致有界的。然而，这种方法是基于特殊的故障模型的，并且假定反馈控制的状态向量可测。另外，这种方法给出的FDD和FTC是基于假设故障都是预期故障模型组中部分可推测出的。

文献[95,96]给出基于切换控制的主动容错控制方法，该方法同时考虑了一类非线性系统在输入受限情况下的FDD和FTC。作者设计了多个控制配置下有多个控制变量，并且假设每个执行器仅影响某些状态，也就是说每个执行器对系统的影响是完全可以区别的，这也就意味着每个执行器故障是可隔离的。显然，这个假设要求是很苛刻的。

在文献[97,98]中，作者研究了基于预测控制的主动容错控制方法，该方法假定故障系统是可控的。其主要思想是首先离线建立N个非线性模型预测稳定控制器，当故障发生后，系统将会在这些控制器中切换，最终保证故障系统的稳定性。这种方法是基于闭环鲁棒李亚普诺夫函数可以获得的情况，而实际李亚普诺夫函数很难获得[99]。

神经网络控制

人工神经网络控制 摘要: 神经网络控制，即基于神经网络控制或简称神经控制，是指在控制系统中采用神经网络这一工具对难以精确描述的复杂的非线性对象进行建模，或充当控制器，或优化计算，或进行推理，或故障诊断等，亦即同时兼有上述某些功能的适应组合，将这样的系统统称为神经网络的控制系统。本文从人工神经网络，以及控制理论如何与神经网络相结合，详细的论述了神经网络控制的应用以及发展。 关键词: 神经网络控制；控制系统；人工神经网络 人工神经网络的发展过程 神经网络控制是20世纪80年代末期发展起来的自动控制领域的前沿学科之一。它是智能控制的一个新的分支，为解决复杂的非线性、不确定、不确知系统的控制问题开辟了新途径。是（人工）神经网络理论与控制理论相结合的产物，是发展中的学科。它汇集了包括数学、生物学、神经生理学、脑科学、遗传学、人工智能、计算机科学、自动控制等学科的理论、技术、方法及研究成果。 在控制领域，将具有学习能力的控制系统称为学习控制系统，属于智能控制系统。神经控制是有学习能力的，属于学习控制，是智能控制的一个分支。神经控制发展至今，虽仅有十余年的历史，已有了多种控制结构。如神经预测控制、神经逆系统控制等。 生物神经元模型 神经元是大脑处理信息的基本单元，人脑大约含1012个神经元，分成约1000种类型，每个神经元大约与102~104个其他神经元相连接，形成极为错综复杂而又灵活多变的神经网络。每个神经元虽然都十分简单，但是如此大量的神经元之间、如此复杂的连接却可以演化出丰富多彩的行为方式，同时，如此大量的神经元与外部感受器之间的多种多样的连接方式也蕴含了变化莫测的反应方式。 图1 生物神经元传递信息的过程为多输入、单输出，神经元各组成部分的功能来看，信息的处理与传递主要发生在突触附近，当神经元细胞体通过轴突传到突触前膜的脉冲幅度达到一定强度，即超过其阈值电位后，突触前膜将向突触间隙释放神经传递的化学物质，突触有两

一类时变时延网络控制系统的鲁棒容错控制

第23卷第6期 Vol.23No.6 控　制　与　决　策 Cont rol and Decision 2008年6月 J un.2008 收稿日期:2007204211;修回日期:2007208213.基金项目:中国博士后科学基金项目(2005012). 作者简介:郭一楠(1975— ),女,太原人,副教授,从事进化计算与网络控制系统的研究;巩敦卫(1970—),男,江苏徐州人,教授,博士生导师,从事进化计算与智能控制的研究. 文章编号:100120920(2008)0620689204 一类时变时延网络控制系统的鲁棒容错控制 郭一楠1,张芹英1,巩敦卫1,张建化2 (1.中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州221008;2.徐州工程学院,江苏徐州221008) 摘　要:针对一类具有时变时延的不确定网络控制系统,研究存在执行器失效情况的系统鲁棒容错控制问题.基于完整性容错控制思想和李亚普诺夫时延依赖稳定理论,给出了系统对执行器失效具有完整性的充分条件,设计了鲁棒容错控制器.仿真结果表明,该控制器不仅能保证系统鲁棒渐近稳定,而且使系统具有良好的动态性能.关键词:网络控制系统;时变时延;时延依赖;不确定参数;容错控制中图分类号:TP18 文献标识码:A R obust fault 2tolerant control of net w orked control systems with time 2varying delays GUO Yi 2nan 1 ,Z H A N G Qi n 2y i ng 1 ,GO N G D un 2w ei 1 ,Z H A N G J i an 2hua 2 (1.School of Information and Electrical Engineering ,China University of Mining and Technology ,Xuzhou 221008,China ;2.Xuzhou Institute of Technology ,Xuzhou 221008,China.Correspondent :ZHAN G Qin 2ying ,E 2mail :zhqinyingcumt @https://www.wendangku.net/doc/087796819.html, ) Abstract :For a class of networked control systems with time 2varying delays ,a robust fault 2tolerant control problem with actuator failures is discussed.Based on the integrity fault 2tolerant control theory and the time 2delay 2dependent stability criteria ,the sufficient conditions for systems with integrity against actuator failures are given ,and the robust fault 2tolerant controller is designed.Simulation results show that the controller can not only guarantee the robust stability ,but also obtain better dynamic performance. K ey w ords :Networked control system ;Time 2varying delay ;Time 2delay 2dependent ;Uncertain parameter ;Fault 2tolerant control 1　引 言 随着系统的控制规模、关键设备日益庞大,系统发生故障的可能性也逐渐增大,对系统可靠性的要求也越来越高[1].实际控制过程中,即使采用最可靠的元器件,也不能完全避免故障的发生.因此,容错控制成为提高系统可靠性的关键技术,受到广泛重视.网络控制系统(Networked Control System ,NCS )是以网络作为(检测、控制)信号传输平台构成 的闭环系统,它融合了计算机、通信、网络和控制等技术.与传统的点对点连接方式相比,它具有连线少、信息资源能共享、易于维护和扩展等优点.但由于网络通信带宽、承载能力和服务能力的限制,系统不可避免地存在时延、丢包、抖动等诸多问题.其中网络诱导时延是NCS 中不可忽视的因素,它直接影响到系统的稳定性和动态性能.因此,网络控制系统 容错控制要比传统的控制系统复杂,更符合工业发展趋势和生产需求. 网络控制系统的容错控制在国内外的研究还很有限.针对一类确定性被控对象,文献[2]假定网络诱导时延为常数,将故障过程和检测过程看作不同的马尔科夫时变过程,建立了网络容错控制系统的模型,给出了均方渐近稳定的充分条件;[3]考虑网络诱导时延的随机性,借助跳变系统理论,研究了离散网络控制系统执行器失效的容错控制问题.由于建模误差、环境因素、元器件老化等原因,系统往往含有不确定参数;[4]针对网络时延为有界的随机数,研究了离散不确定网络控制系统执行器失效的鲁棒容错控制;[5]针对常数时延,设计了连续网络控制系统的鲁棒容错控制器.但上述文献均基于保守的时延独立稳定条件进行控制器设计.文献[6]根

容错控制的研究现状

容错控制的研究现状 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”[28]。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)。被动容错控制通常利用鲁棒控制技术使得整个闭环系统对某些确定的故障具有不敏感性，其设计不需要故障诊断，也不必进行控制重组，其一般具有固定形式的控制器结构和参数。但常常由于故障并不是经常发生的，其设计难免过于保守，并且其性能也不可能是最优的，而且一旦出现不可预知故障，系统的性能甚至稳定性都可能无法保障[29-31]。但它可以避免在主动容错控制当中由于需要检测诊断故障以及重组控制律造成的时间滞后，而这在时间要求严格的系统控制中是很重要的，因此被动容错控制在故障检测和估计阶段是必须的，它可以保证在系统切换至主动容错控制之前系统的稳定性[29-31]。主动容错控制可以对发生的故障进行主动处理，其利用获知的各种故障信息，在故障发生后重新调整控制器参数，甚至在某些情况下需要改变控制器结构。主动容错控制大多需要故障诊断（FDD）子系统，这正是其优于被动容错控制之处。Patton教授有一著名论断，即“离开了FDD单元，容错控制所能发挥的作用就会非常有限，只能对一些特殊类型的故障起到容错的作用”[20]。 （1）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。 可靠镇定是针对控制器故障的容错控制。其研究思想始于Siljak 在1980 年[2]提出的使用多个补偿器并行镇定一个被控对象。之后一些学者又对该方法进行了深入研究[32-34]。文[32]针对单个被控对象证明了当采用两个补偿器时，能够可靠镇定的充要条件是被控对象是强可镇定的。但条件若不满足，补偿器就会出现不稳定的极点，闭环系统就不稳定；另一方面，即使条件满足并有解，如何设计这两个补偿器也是极其困难的。文[33]做了进一步研究，给出了两个动态补偿器的参数化设计方法，能够得到可靠镇定问题的解，从而部分解决了上

神经网络模型预测控制器

神经网络模型预测控制器 摘要：本文将神经网络控制器应用于受限非线性系统的优化模型预测控制中，控制规则用一个神经网络函数逼近器来表示，该网络是通过最小化一个与控制相关的代价函数来训练的。本文提出的方法可以用于构造任意结构的控制器，如减速优化控制器和分散控制器。 关键字：模型预测控制、神经网络、非线性控制 1.介绍 由于非线性控制问题的复杂性，通常用逼近方法来获得近似解。在本文中，提出了一种广泛应用的方法即模型预测控制（MPC），这可用于解决在线优化问题，另一种方法是函数逼近器，如人工神经网络，这可用于离线的优化控制规则。 在模型预测控制中，控制信号取决于在每个采样时刻时的想要在线最小化的代价函数，它已经广泛地应用于受限的多变量系统和非线性过程等工业控制中[3,11,22]。MPC方法一个潜在的弱点是优化问题必须能严格地按要求推算，尤其是在非线性系统中。模型预测控制已经广泛地应用于线性MPC问题中[5]，但为了减小在线计算时的计算量，该部分的计算为离线。一个非常强大的函数逼近器为神经网络，它能很好地用于表示非线性模型或控制器，如文献[4,13,14]。基于模型跟踪控制的方法已经普遍地应用在神经网络控制，这种方法的一个局限性是它不适合于不稳定地逆系统，基此本文研究了基于优化控制技术的方法。 许多基于神经网络的方法已经提出了应用在优化控制问题方面，该优化控制的目标是最小化一个与控制相关的代价函数。一个方法是用一个神经网络来逼近与优化控制问题相关联的动态程式方程的解[6]。一个更直接地方法是模仿MPC方法，用通过最小化预测代价函数来训练神经网络控制器。为了达到精确的MPC技术，用神经网络来逼近模型预测控制策略，且通过离线计算[1,7.9,19]。用一个交替且更直接的方法即直接最小化代价函数训练网络控制器代替通过训练一个神经网络来逼近一个优化模型预测控制策略。这种方法目前已有许多版本，Parisini[20]和Zoppoli[24]等人研究了随机优化控制问题，其中控制器作为神经网络逼近器的输入输出的一个函数。Seong和Widrow[23]研究了一个初始状态为随机分配的优化控制问题，控制器为反馈状态，用一个神经网络来表示。在以上的研究中，应用了一个随机逼近器算法来训练网络。Al-dajani[2]和Nayeri等人[15]提出了一种相似的方法，即用最速下降法来训练神经网络控制器。 在许多应用中，设计一个控制器都涉及到一个特殊的结构。对于复杂的系统如减速控制器或分散控制系统，都需要许多输入与输出。在模型预测控制中，模型是用于预测系统未来的运动轨迹，优化控制信号是系统模型的系统的函数。因此，模型预测控制不能用于定结构控制问题。不同的是，基于神经网络函数逼近器的控制器可以应用于优化定结构控制问题。 在本文中，主要研究的是应用于非线性优化控制问题的结构受限的MPC类型[20,2,24,23,15]。控制规则用神经网络逼近器表示，最小化一个与控制相关的代价函数来离线训练神经网络。通过将神经网络控制的输入适当特殊化来完成优化低阶控制器的设计，分散和其它定结构神经网络控制器是通过对网络结构加入合适的限制构成的。通过一个数据例子来评价神经网络控制器的性能并与优化模型预测控制器进行比较。 2.问题表述 考虑一个离散非线性控制系统： 其中为控制器的输出，为输入，为状态矢量。控制

神经网络控制完整版

神经网络控制 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】

人工神经网络控制 摘要: 神经网络控制，即基于神经网络控制或简称神经控制，是指在控制系统中采用神经网络这一工具对难以精确描述的复杂的非线性对象进行建模，或充当控制器，或优化计算，或进行推理，或故障诊断等，亦即同时兼有上述某些功能的适应组合，将这样的系统统称为神经网络的控制系统。本文从人工神经网络，以及控制理论如何与神经网络相结合，详细的论述了神经网络控制的应用以及发展。 关键词: 神经网络控制；控制系统；人工神经网络 人工神经网络的发展过程 神经网络控制是20世纪80年代末期发展起来的自动控制领域的前沿学科之一。它是智能控制的一个新的分支，为解决复杂的非线性、不确定、不确知系统的控制问题开辟了新途径。是（人工）神经网络理论与控制理论相结合的产物，是发展中的学科。它汇集了包括数学、生物学、神经生理学、脑科学、遗传学、人工智能、计算机科学、自动控制等学科的理论、技术、方法及研究成果。 在控制领域，将具有学习能力的控制系统称为学习控制系统，属于智能控制系统。神经控制是有学习能力的，属于学习控制，是智能控制的一个分支。神经控制发展至今，虽仅有十余年的历史，已有了多种控制结构。如神经预测控制、神经逆系统控制等。 生物神经元模型 神经元是大脑处理信息的基本单元，人脑大约含1012个神经元，分成约1000种类型，每个神经元大约与 102~104个其他神经元相连接，形成极为错综复杂而又灵活多变的神经网络。每个神经元虽然都十分简单，但是如此大量的神经元之间、如此复杂的连接却可以演化出丰富多彩的行为方式，同时，如此大量的神经元与外部感受器之间的多种多样的连接方式也蕴含了变化莫测的反应方式。 图1 生物神经元传递信息的过程为多输入、单输出，神经元各组成部分的功能来看，信息的处理与传递主要发生在突触附近，当神经元细胞体通过轴突传到突触前膜的脉

容错控制理论及其应用

第26卷　第6期2000年11月自　动　化　学　报A CT A A U T OM A T ICA SI NI CA 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 @m ail.au.tsin https://www.wendangku.net/doc/087796819.html,) 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 ZHOU Donghua (Dep t .of A utomation ,Tsing hua Univer sity ,Beij in g 100084) DING X (De p t .of E E ,L ausitz Univ .,Ger ma ny ) Abstract A survey of fault tolerant cont rol for dynamic syst ems is present ed .T he main result s in classical fault tolerant cont rol are f irstly int roduced.T hen,empha- sis is put on t he robust fault tolerant control as well as the fault diagnosis and f ault tolerant control of nonlinear systems developed in recent years.Some typical appli- cation result s of fault t olerant cont rol are discussed ,and finally ,some open ques- tions are pointed out . Key words Dynamic syst ems,fault t olerant cont rol,fault diagnosis,int egrat ion, 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

鲁棒故障诊断及容错控制方法研究--贾克明

鲁棒故障诊断及容错控制方法研究 第1章绪论 1.1 课题研究现状及意义 随着工业水平的快速提高，系统日益复杂化和大型化。这一类的系统一旦出现故障轻则导致系统无法正常运行、瘫痪，重则造成财产损失和安全事故，例如1986 年4 月26 日发生的切尔诺贝利核电站事故导致了大面积的核污染；2003 年2 月 1 日的美国哥伦比亚号航天飞机事故导致机毁人亡，7 名宇航员全部因此而丧生；2011 年 3 月日本福岛核电站事故……因此提高可靠性和安全性对一些大型的、复杂性的系统而言显得极为重要。如何提高复杂系统的可靠性和安全性成为人们关注的核心问题，容错控制为有效解决该问题提供了一条有效途径，因而得到了广泛的重视。“容错”这一概念最初出现于计算机系统，表示能够容忍故障的意思。当某个控制系统发生故障时，该系统的闭环稳定性及其他各项性能指标，如快速性，平稳性等都将会受到不同程度的影响，因此容错控制以满足系统稳定性和所要求的性能指标为指导前提，进而称满足该性能的闭环控制系统称为容错控制系统[1]。 近些年来卫星技术迅速发展，航天器的结构由简单走向复杂化，并且任务需求也开始多样化, 因此提高其稳定度和控制精度显得尤为重要。在众多的控制方法中，容错控制作为一种能够提高航天器的有效性、可维护性和可靠性的有效方法，发展为该领域的研究热点。20 世纪70 年代航天航空领域开始研究高性能航天器，容错控制作为保障航天器安全性的重要理论支撑迅速发展起来，由此各种容错控制技术如雨后春笋般开始涌现[2-4]。 人类开始太空探索之旅始于苏联的第一颗人造卫星。中国不甘其后，在航天事业上也大显作为，留下属于自己的印记。值得一提的是，早期的航天器结构和功能都相对简单，而且这些航天器的使用寿命短、控制精度比较低。随着时代的发展，技术的提高，我国的航空航天器的发展又迈上了一个台阶：目前，在航天器在轨控制与自主姿态确定方面我国的技术发展已经初具规模。以“资源一号”卫星为例，该卫星是目前国内第一颗能够真正进行自主故障诊断和重构的卫星。系统重构和故障诊断这一些智能化容错控制技哈尔滨工业大学工程硕士学位论文术在新型飞船和对地探测卫星等航天任务中已有许多成功应用实例，文献[5]指出，目前的这些航天器的轨道与姿态控制系统均具有自主定位、便于在轨维护、自主故障检测、自主系统重构等优良特性，是一系列可靠性好的高精度姿轨控制系统。 卫星作为航天器一种，种类多、用途广。卫星在太空环境中长时间在轨运行时，任务的多样化和强辐射，多干扰的运行环境极易造成卫星姿态控制系统故障，而在各种控制系统故障中，执行器失效故障占有很大一部分比例。如果卫星姿态控制系统发生故障，卫星将无法正常执行任务，甚至会出现脱轨，坠毁等一系列重大事故，以致带来某些安全隐患。由于完整性容错控制在控制系统正常工作状态和系统失效状态时都能够正常工作，而且不需要故障检测与诊断机构（FDD），具有快速性好，实时性强这些优点，因此对卫星姿态控制系统进行完整性容错控制问题研究对提高卫星的可靠性和安全性具有重大意义。值得一提的是，当卫星在常见的三正交反作用下如果处于执行机构部分失效时，在某种程度内还可以继

容错控制简介

1.2容错技术简介 容错控制及其系统组成 容错控制的发展及研究现状 1.2.1容错控制的概念和任务 容错概念最初来源于计算机系统设计领域，是指系统内部环节发生局部故障或失效情况下，计算机系统仍能继续正常运行的一种特性。后来人们逐渐把容错的概念引入到控制系统，这样人们虽然无法保证控制系统每个环节的绝对可靠，但是构成容错控制系统后，可以使系统中的各个故障因素对控制性能的影响被显著削弱，从而间接地提高了控制系统的可靠性。特别是控制系统的重要部件的可靠度未知时，容错技术更是在系统设计阶段保证系统可靠性的必要手段。 容错控制的指导思想是在基于一个控制系统迟早会发生故障的前提下，在设计控制系统初期时就将可能发生的故障对系统的稳定性及静态和动态性能影响考虑在内。最简单的情况，如果传感器或执行器发生故障，在故障后不改变控制律的情况下，如何来维持系统的稳定性就是控制器设计过程中值得注意的问题。在容错控制技术中，这种问题属于完整性控制的范畴。 在某种程度上，容错控制系统是指具有内部冗余（硬件冗余、解析冗余、功能冗余和参数冗余等）能力的控制系统，即在某些部件（执行器、传感器或元部件）发生故障的情况下，闭环系统仍然能保持稳定，并在原定性能指标或性能指标有所降低但可接受的条件下，安全地完成控制任务，并具有较理想的特性。动态系统的容错控制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。 1.2.2容错控制的现状研究 容错控制系统的基本结构为：传感器、故障检测与诊断子系统、执行器和控制器。其中，故障检测与诊断子系统能够对控制系统进行实时故障监测与辨识等；控制器则根据故障诊断信息作出相应的处理，实施新的容错控制策略，保证系统在故障状态下仍能获得良好的控制效果。在实际控制系统中,各个基本环节都有可能发生故障。 容错控制系统有多种分类方法,如按系统分为线性系统容错控制和非线性系统容错控制，确定性系统容错控制和随机系统容错控制等；按克服故障部件分类为执行器故障容错控制，传感器故障容错控制,控制器故障容错控制和部件故障容错控制等；按控制对象不同分为基于硬件冗余和解析冗余的容错控制分类。一般，为了全面反映容错控制系统的特性，常将上述各种分类方法组合运用。 1.硬件冗余方法 硬件冗余是指对系统的重要部件及易发生故障部件设置各种备份,当系统内某部件发生故障时,对故障部分进行隔离或自动更换,使系统正常工作不受故障元器件的影响，保证系统的容错性能。硬件冗余方法根据备份部件是否参与系统工作可分为静态硬件冗余和动态硬件冗余。 l)静态硬件冗余:并联多个相同的组件,当其中某几个发生故障时并不影响其它组件的正常工作。 2)动态硬件冗余:在系统中不接入备份组件,只有在原组件发生故障后,才把输入和输出端转接到备份组件上来,同时切断故障组件的输入和输出端,即运行模块的失效，备用模块代替运行模块工作。系统应该具有自动发现故障的能力与自动转接设备。 硬件冗余方法可以用于任何硬件环节失效的容错控制,建立起来的控制系统将具有较强

容错控制系统

容错控制系统培训 2011年8月

3.1 容错控制系统 3.1.1 容错控制概述 容错原是计算机系统设计技术中的一个概念，指当系统在遭受到内部环节的局部故障或失效后，仍然可以继续正常运行的特性。将此概念引入到控制系统中，产生了容错控制的概念。 容错技术是指系统对故障的容忍技术，也就是指处于工作状态的系统中一个或多个关键部分发生故障时，能自动检测与诊断，并能采取相应措施保证系统维持其规定功能或保持其功能在可接受的范围内的技术。如果在执行器、传感器、元部件或分系统发生故障时，闭环控制系统仍然是稳定的，仍具有完成基本功能的能力，并仍然具有较理想的动态特性，就称此闭环控制系统为容错控制系统。 3.1.2 容错控制分类 根据不同的产品和客户需求，容错控制系统分类方式有多种，重点介绍两种： ?按设计分类：被动容错控制、主动容错控制； ?按实现分类：硬件容错、功能容错和软件容错。 3.1.2.1按设计分类的容错控制 1 被动容错控制介绍 被动容错控制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。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。 2 主动容错控制介绍 主动容错控制是在故障发生后需要重新调整控制器参数，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。 3.1.2.2按实现分类的容错控制 1 硬件容错技术 容错控制系统中通常采用的余度技术，主要涉及硬件方面，是指对计算机、传感器和执行机构进行硬件备份，如图3所示。在系统的一个或多个关键部件失效时，通过监控系统检测及监控隔离故障元件，并采用完全相同的备用元件来替代它们以维持系统的性能不变或略有降级(但在允许范

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 https://www.wendangku.net/doc/087796819.html,) 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

容错控制

容错控制知识 一知识点 1冗余：多余的重复或啰嗦内容，通常指通过多重备份来增加系统的可靠性。 2冗余设计：通过重复配置某些关键设备或部件，当系统出现故障时，冗余的设备或部件介入工作，承担已损设备或部件的功能，为系统提供服务，减少宕机事件的发生。 3冗余设计常用方法有硬件冗余、软件冗余(主要指解析冗余)、功率冗余。 3.1硬件冗余方法是通过对重要部件和易发生故障的部件提供备份，以提高系统的容错性能。软件冗余方法主要是通过设计控制器来提高整个控制系统的冗余度，从而改善系统的容错性能。硬件冗余方法按冗余级别不同又可分为元件冗余、系统冗余和混合冗余。元件冗余通常是指控制系统中关键部件(如陀螺仪和加速度计等)的冗余。 (l)静态“硬件冗余” 例如设置三个单元执行同一项任务，把它的处理结果，如调节变量相互比较，按多数原则(三中取二)判断和确定结构值。采用这种办法潜伏着这样的可能性: 有两个单元同时出错则确定的结果也出错，不过发生这种现象的概率极小。 (2)动态“硬件冗余” 即在系统运行之初，并不接入所有元件，而是留有备份，当在系统运行过程中某元件出错时，再将候补装置切换上去，由其接替前者的工作。这种方法需要注意的问题是切换的时延过程，最好能保持备份元件与运行元件状态的同步。 3.2软件冗余又可分为解析冗余、功能冗余和参数冗余等，软件冗余是通过估计技术或软件算法来实现控制系统的容错性， 解析冗余技术是利用控制系统不同部件之间的内在联系和功能上的冗余性，当系统的某些部件失效时，用其余完好部件部分甚至全部地承担起故障部件所丧失的作用，以将系统的性能维持在允许的范围之内。 冗余技术在某种程度上能提高DCS 本身的可靠性和数据通信的可靠性, 但对于整个闭环系统来讲,系统中还包含传感器，变送器，和执行器等现场设备，他们往往工作在恶劣的环境下，出现故障的概率也比较高，软硬件冗余一般无能为力，我们要采用容错控制来提升系统稳定性。 4 容错控制指控制系统在传感器，执行器或元部件发生故障时，闭环系统仍

离散分布控制系统的容错设计

图2智能抽油机节能控制器方案框图 感器模块实时检测电机输出功率的变化,由单片机系统来控制IGBT的关断,控制电机输入端电压的大小,以调整电动机输出功率,减少电动机的铁损和铜损。达到节能降耗的目的。 为克服负功率对I GBT模块的影响并进一步节能,系统设置了负功率处理模块,通过该模块,系统以和电网同样的频率和相位将电动机发出的电能馈送到电网中,进一步降低电机损耗。 由于IGBT是比较昂贵的器件,而且对使用条件要求比较高,必须加以保护。根据抽油机的实际特点,系统设置了过流保护、过压保护、缺相保护和温度保护,从而使系统能够更安全地运行。 智能型抽油机节能控制器具有以下的功能: 1可设置电动机的最大工作电流、空载电流和最高工作温度等参数,根据电动机工作电流的大小判断抽油机的工况。当电动机工作电流超过额定电流和最高工作温度超过额定工作温度时停抽油机工作,从而保护电动机。当抽油机电动机工作电流小于空载电流,认为抽油机空载,可停止抽油机工作,等待原油聚集。根据所设定的停机时间,抽油机停止工作一段时间后,控制系统自动启动抽油机,从而实现抽油机停机节能。 o断电后来电时自动延时启动时间,避免油田抽油机同时启动。 ?软启动功能,减少启动对电网的冲击并节约电能。 ?可根据抽油机运行的载荷工况,自动控制电机输入电压,控制抽油机电动机的输出功率,达到节能目的。 ?独特的负功率处理功能,能有效减小电机发电所带来的影响,提高节能效果。 ?具有数据存储和数据通信功能。通过专用数据回放卡可转储数据进行数据处理分析和绘制抽油机电能图,从而方便油田对抽油机的管理。 3结束语 智能型抽油机节能控制器的开发经过了样机开发和油田试验两个阶段,我们逐渐掌握了游梁式抽油机工作规律和抽油机节能控制器的关键技术,为系统投入运行奠定了基础。 参考文献 1周新生,程汉湘,刘建,等.抽油机的负载特性及提高功率因数措施的研究.北华大学学报(自然科学版),2003(6) 2张继震,马广杰,杨靖.游梁抽油机电机电量测试的特殊性.电机技术,2003(2) 3丁建林,姜建胜,刘瓯,等.抽油机变频调速智能控制技术研究. 石油机械,2003 修改稿收到日期:2004-08-20。 第一作者彭国标,男,1972年生,1995年毕业于国防科技大学精密仪器与检测技术专业,获学士学位,工程师;主要从事载人航天发射场地面系统自动控制、建筑智能化和工业自动化控制。 离散分布控制系统的容错设计 Fault Tolerant Design of Discrete D istributed Control System 王根平 (深圳职业技术学院机电系,深圳518055) 摘要在所考虑的离散分布控制系统中,每个可编程控制器作为一个控制结点,结点之间通过网络进行连接保持通信。容错的设计思路是,增加一个在Galois域进行运算的冗余控制器,从而使系统能够自动侦查系统中的结点(可编程控制器)是否正常工作,并能5自动化仪表6第25卷第9期2004年9月

一种递归模糊神经网络自适应控制方法

一种递归模糊神经网络自适应控制方法 毛六平,王耀南,孙　炜,戴瑜兴 (湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082) 摘　要:　构造了一种递归模糊神经网络(RFNN ),该RFNN 利用递归神经网络实现模糊推理,并通过在网络的第 一层添加了反馈连接,使网络具有了动态信息处理能力.基于所设计的RFNN ,提出了一种自适应控制方案,在该控制方案中,采用了两个RFNN 分别用于对被控对象进行辨识和控制.将所提出的自适应控制方案应用于交流伺服系统,并给出了仿真实验结果,验证了所提方法的有效性. 关键词:　递归模糊神经网络;自适应控制;交流伺服中图分类号:　TP183 文献标识码:　A 文章编号:　037222112(2006)1222285203 An Adaptive Control Using Recurrent Fuzzy Neural Network M AO Liu 2ping ,W ANG Y ao 2nan ,S UN Wei ,DAI Y u 2xin (College o f Electrical and Information Engineering ,Hunan University ,Changsha ,Hunan 410082,China ) Abstract :　A kind of recurrent fuzzy neural network (RFNN )is constructed ,in which ,recurrent neural network is used to re 2alize fuzzy inference temporal relations are embedded in the network by adding feedback connections on the first layer of the network.On the basis of the proposed RFNN ,an adaptive control scheme is proposed ,in which ,two proposed RFNNs are used to i 2dentify and control plant respectively.Simulation experiments are made by applying proposed adaptive control scheme on AC servo control problem to confirm its effectiveness. K ey words :　recurrent fuzzy neural network ;adaptive control ;AC servo 1　引言 近年来,人们开始越来越多地将神经网络用于辨识和控 制动态系统[1～3].神经网络在信号的传播方向上,可以分为前馈神经网络和递归神经网络.前馈神经网络能够以任意精度逼近任意的连续函数,但是前馈神经网络是一个静态的映射,它不能反映动态的映射.尽管这个问题可以通过增加延时环节来解决,但是那样会使前馈神经网络增加大量的神经元来代表时域的动态响应.而且,由于前馈神经网络的权值修正与网络的内部信息无关,使得网络对函数的逼近效果过分依赖于训练数据的好坏.而另一方面,递归神经网络[4～7]能够很好地反映动态映射关系,并且能够存储网络的内部信息用于训练网络的权值.递归神经网络有一个内部的反馈环,它能够捕获系统的动态响应而不必在外部添加延时反馈环节.由于递归神经网络能够反映动态映射关系,它在处理参数漂移、强干扰、非线性、不确定性等问题时表现出了优异的性能.然而递归神经网络也有它的缺陷,和前馈神经网络一样,它的知识表达能力也很差,并且缺乏有效的构造方法来选择网络结构和确定神经元的参数. 递归模糊神经网络(RFNN )[8,9]是一种改进的递归神经网络,它利用递归网络来实现模糊推理,从而同时具有递归神经网络和模糊逻辑的优点.它不仅可以很好地反映动态映射关系,还具有定性知识表达的能力,可以用人类专家的语言控制规则来训练网络,并且使网络的内部知识具有明确的物理意 义,从而可以很容易地确定网络的结构和神经元的参数. 本文构造了一种RFNN ,在所设计的网络中,通过在网络的第一层加入反馈连接来存储暂态信息.基于该RFNN ,本文还提出了一种自适应控制方法,在该控制方法中,两个RFNN 被分别用于对被控对象进行辨识和控制.为了验证所提方法的有效性,本文将所提控制方法用于交流伺服系统的控制,并给出了仿真实验结果. 2　RFNN 的结构 所提RFNN 的结构如图1所示,网络包含n 个输入节点,对每个输入定义了m 个语言词集节点,另外有l 条控制规则 节点和p 个输出节点.用u (k )i 、O (k ) i 分别代表第k 层的第i 个节点的输入和输出,则网络内部的信号传递过程和各层之间的输入输出关系可以描述如下: 第一层:这一层的节点将输入变量引入网络.与以往国内外的研究不同,本文将反馈连接加入这一层中.第一层的输入输出关系可以描述为:O (1)i (k )=u (1)i (k )=x (1)i (k )+w (1)i (k )?O (1)i (k -1), i =1,…,n (1) 之所以将反馈连接加入这一层,是因为在以往的模糊神经网络控制器中,控制器往往是根据系统的误差及其对时间的导数来决定控制的行为,在第一层中加入暂态反馈环,则只需要以系统的误差作为网络的输入就可以反映这种关系,这样做不仅可以简化网络的结构,而且具有明显的物理意义,使 收稿日期:2005207201;修回日期:2006206218 基金项目:国家自然科学基金项目(N o.60075008);湖南省自然科学基金(N o.06JJ50121) 　 第12期2006年12月 电 子 学 报 ACT A E LECTRONICA SINICA V ol.34　N o.12 Dec.　2006

基于分布式控制系统的冗余容错控制系统和方法与制作流程

图片简介: 本技术介绍了基于分布式控制系统的冗余容错控制系统和方法，涉及控制技术领域，解决了被控设备断路故障失控问题。本技术中冗余支路的电气控制模块的输出端并联连入k路被控制回路中所述控制支路的电气控制模块输出端的两端，选通支路用于控制所述冗余支路的电气控制模块的输出端k路并联支路的通断；当k路控制支路出现一条控制支路故障时，故障的控制支路为故障支路，冗余控制上位机主动发出数据通信导通故障支路对应的选通支路，所述冗余支路的电气控制模块输出端替换故障支路电气控制模块输出端的所在的故障支路回路位置。本技术以一条冗余控制支路可以对多条实际控制支路进行容错运行，灵活方便，节约了成本。 技术要求 1.基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于，包括一路冗余支路、k路控制支路和k路选通支路，其中k≥2且k为整数； 所述控制支路包括电气控制模块、被控设备，所述控制支路的电气控制模块的输出端与被控设备构成被控制回路；

所述冗余支路包括电气控制模块，所述冗余支路的电气控制模块的输出端，并联连入k路被控制回路中的所述控制支路的电气控制模块输出端的两端，形成k路并联支路； k路选通支路为k个分别位于k路并联支路上，所述选通支路用于控制k路并联支路的通断。 2.根据权利要求1所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于，所述冗余容错被控设备控制系统包括控制室，在控制室中控制控制支路的电气控制模块输入端信号，在控制室中控制冗余支路的电气控制模块输入端信号。 3.根据权利要求2所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于，所述控制室包括分布式控制系统用上位机，所述分布式控制系统用上位机控制控制支路的电气控制模块输入端信号，所述分布式控制系统用上位机控制冗余支路的电气控制模块输入端信号。 4.根据权利要求1所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于，所述选通支路包括多个MCU驱动的小型电机驱动电路、小型电机驱动电路发出电机控制信号驱动的机械旋转连接单元，MCU发出选通模块驱动信号控制选通模块驱动电路，选通模块驱动电路连入机械旋转连接单元控制k个选通模块； 机械旋转单元包括小型电机、转轴信号端子、固定信号端子，转轴信号端子接收选通模块驱动电路输出的信号，k个固定信号端子上对应k个选通模块，MCU通过电机间接控制转轴信号端子旋转到特定固定信号端子位置，所述特定固定信号端子对应的选通模块上导通，此时，冗余支路的电气控制模块代替所述特定固定信号端子对应的被控制回路中的电气控制模块，选通模块与被控制回路一一对应。 5.根据权利要求4所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于，所述控制室包括冗余控制上位机，冗余控制上位机控制k路选通支路，冗余控制上位机通过发出信号与多个MCU进行数据通信间接控制k个选通模块。 6.根据权利要求4所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于，所述选通模块驱动电路数目为一。 7.根据权利要求1-6任意一条所述的基于分布式控制系统的冗余容错控制系统，其特征在于： 所述电气控制模块包括固态继电器； 所述被控设备包括电磁阀、电源； 所述固态继电器包括输入侧、输出侧； 分布式控制系统用上位机发出信号至控制支路的固态继电器输入侧，响应固态继电器输出侧；