故障诊断与容错控制方法研究

随着科学技术的不断推进和实际应用要求的不断提升，现代系统正朝着大规模、复杂化的方向发展。在这样的一类系统中，一旦发生事故就有可能造成人员和财产的巨大损失。系统拥有高的可靠性和安全性意味着操作人员的人身安全能得更好的保障，同时也能提高生产效率和经济效益。容错控制（Fault Tolerant Control，FTC）能使系统在发生故障的情况下，能够自动补偿故障产生的影响以维护系统的稳定性和尽可能的恢复系统故障前的性能，使系统运行稳定可靠。因此，容错控制为提高复杂系统的可靠性和安全性开辟了一条新的途径。曾经作为控制理论独立分支的动态系统的故障诊断（Fault Detection and Diagnosis，FDD）技术已成为容错控制的重要支撑技术之一。故障诊断的任务是对系统故障的特征进行描述，并利用它去检测和隔离系统的故障。为了取得好的容错效果，人们迫切需要高效的故障诊断机构在线提供比较准确的故障信息来完成系统的容错控制。 一个系统能够容错的必要条件是系统中存在着冗余，即对执行器的容错需要有执行器驱动冗余、对传感器的容错则需要存在传感器测量冗余。容错控制系统设计的关键是如何使用这些冗余以达到容错的目的。根据系统中处理故障和冗余的不同方式，容错控制系统可分为被动容错系统和主动容错系统。在被动容错控制系统设计中，系统所能发生的故障情况在控制系统设计之初就作为先验知识被考虑进去了，不需要在线获知故障信息，多采用的是鲁棒控制技术。而主动容错控制系统或者通过算法设计自适应在线辨识故障参数，或者利用故障诊断机构获取故障信息，总之，需要系统的故障信息来重组系统的控制行为。被动容错控制和主动容错控制多依赖于系统的模型：定量，半定量或定性模型。基于模型的容错控制策略，依然是当前研究的一个热点问题。相对基于模型的算法，不基于模型的算法也引起人们的关注，多数借助人工智能的方 法进行容错控制设计，主要被用于非线性系统的故障诊断和容错控制中。不基于模型的容错控制方法不在本文的考虑范围之内。 由于长期不间断的执行控制任务，执行器是最容易发生故障的环节。在系统的容错控制设计中，对执行器的容错策略应是考虑的重中之重。容错控制起源于飞行器等航空、航天领域，经过不断的推广已进入工业过程控制等常规领域。常规领域的容错控制系统设计同样具有非常重要的意义。现有的容错控制策略多将发生故障的执行器简单地废弃掉，忽略故障执行器中可能存在的剩余驱动力，只利用未故障的执行器重新设计容错控制系统。显然，这不是很明智的做法，因为降低了系统的整体驱动能力，从而减少了容错控制策略的设计自由度。为此，应该对容错控制中的驱动问题加以考虑，如果可能，应将故障后系统中所有的驱动力经过合理组合全部用于容错控制中。 本文针对线性系统进行了故障诊断和容错控制系统的设计，并就容错控制中存在的有关热点问题，展开了深入的研究和探讨，全文的主要内容和研究工作如下： 1．阐述了课题的背景及研究意义，综述了故障诊断和容错控制的发展状况，指出了容错控制研究的热点问题。 2．利用鲁棒特征结构配置方法，以条件指数作为系统鲁棒性能指标，进行了被动容错控制系统的设计。得到了系统条件指数最优情况下的容错控制系统镇定的充分条件，给出了一个量化的结果，进一步提供了相应的特征结构配置算法及容错控制器设计方案。 3．针对执行器故障，应用状态观测器设计了故障诊断算法，该方法不但能确定故障产生的位置，还能获得故障执行器的受损程度信息，即在线计算故障元件的失效因子。针对执行器和传感器故障，采用分组受限的卡尔曼滤波器设计了故障诊断机构。该故障诊断方法用于含随机噪声的线性系统的故障隔离，并在线估算出表示故障元件损耗程度的失效因子以便容错系统控制重组。数值仿真结果验证了本文提供的故障诊断方法的有效性。 4．对执行器部分失效的故障形式做了深入的研究，认为故障执行器剩余的驱动能力也应被用于故障系统的容错控制，以减轻故障后系统的驱动压力和提高容错控制系统设计的自由度。提出了驱动重组的概念，使用修正的特征值配置方法，根据失效因子的在线计算结果，在保证故障后系统的稳定和动态性能的基础上，实现对故障后系统中的执行器进行驱动重组。此外，为了迎合故障执行器的动态性能下降的状况，设计了执行驱动重组的特征值调整策略，以 缓解系统中对故障执行器的过高的动态要求。这种特征值调整策略特别适合于执行冗余度不高的容错场合，如电机的功率驱动电路增益受损的情况等等。 5．针对执行器故障，在系统的参数和故障模式未知的情况下设计了模型参考自适应容错控制算法。对自适应算法本身和执行器出现故障时所引起的不良过渡过程现象，以系统参数辨识的估计误差作为反馈信息设计了一种改进的自适应故障补偿控制器，能够改善故障瞬间系统的过渡过程特性。该控制器包含一个由固定补偿器组成的附加反馈环，能够抵消由于自适应方法中参数不确定性和参数辨识所引起的误差。 6．关联系统通常以多个分离的子系统形式存在，为了控制的便利和可实现性，需要以子系统为单