前言

隨著科技的發(fā)展和人類各方面需求的不斷提高,人們對控制系統(tǒng)運行的效率、精度、時間和強度要求越來越高。為了實現(xiàn)系統(tǒng)運行的高效性和多應(yīng)用性,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計越來越精妙和細(xì)致。而這帶來的是復(fù)雜且繁多的系統(tǒng)元件組合,執(zhí)行器、傳感器和連接部件在空間上大量分布和應(yīng)用。為了保證系統(tǒng)在長時間高強度運行下的精度和安全可靠性,容錯控制（Fault-tolerantControl,FTC）策略的構(gòu)造就成為復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計的重要部分。

容錯控制系統(tǒng)的特點表現(xiàn)在當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行器、傳感器、控制器、對象本身等系統(tǒng)各類組成元件發(fā)生故障時,系統(tǒng)的安全運行仍然得到保障并能保持滿意性能。一方面,執(zhí)行器和傳感器作為系統(tǒng)運行驅(qū)動元件及信息獲取和發(fā)送元件,故障的發(fā)生和解決已經(jīng)得到人們的極大關(guān)注；另一方面,隨著工業(yè)制造的復(fù)雜化和生產(chǎn)目標(biāo)的多元化,各個子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)或關(guān)聯(lián)鏈接互相傳遞信息,對關(guān)聯(lián)鏈接安全可靠性的研究也隨之進(jìn)入容錯控制領(lǐng)域。容錯控制系統(tǒng)的研究也面臨著新的挑戰(zhàn)。

從20世紀(jì)70年代系統(tǒng)完整性被提出以來,容錯控制的發(fā)展已經(jīng)歷了四十多年。在其理論研究中,容錯控制系統(tǒng)設(shè)計方法分為基于魯棒控制技術(shù)的被動容錯控制方法和基于故障補償技術(shù)的主動容錯控制方法。兩者重點描述容錯控制系統(tǒng)的全局特征和實時動態(tài)特征。現(xiàn)有的針對預(yù)判故障的傳統(tǒng)被動容錯設(shè)計方法在維數(shù)較低、故障源較少的簡單控制系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用。其具體的應(yīng)用實例可以在液位系統(tǒng)、倒立擺系統(tǒng)、質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng),以及經(jīng)過解耦降維的飛控系統(tǒng)上實現(xiàn)。但對于系統(tǒng)維數(shù)高且故障源較多的結(jié)構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng),被動容錯方法設(shè)計的容錯控制策略較為保守,并不能保證系統(tǒng)在合理性能下運行,甚至?xí)捎谶z漏可能發(fā)生的故障模式而計算得到錯誤控制策略,導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障時崩潰。更需要指出的是,被動容錯控制方法僅僅對有限的故障模型,如中斷、部分失效等有較好效果,它并不具備補償嚴(yán)重故障（如偏移、卡死等故障）的能力。因此,不需要預(yù)判故障,而通過在線調(diào)節(jié)控制器參數(shù)或重構(gòu)控制器的主動容錯控制就成為人們重點研究的方法。

主動容錯控制中基于故障檢測與分離（FaultDetectionandIsolation, FDI）技術(shù)的控制方法和基于自適應(yīng)技術(shù)的控制方法是研究最為廣泛的方法。其中基于FDI方法的容錯控制策略由于其高效性和較高的應(yīng)用價值,近年來備受學(xué)者的青睞。它的設(shè)計依賴于故障診斷機構(gòu)的診斷結(jié)果,其更為重要的意義在于設(shè)計故障診斷機構(gòu)正確及時地診斷出故障信號。因此,在這類主動容錯控制中,控制器的重組（Reconfiguration）或控制系統(tǒng)的重構(gòu)（Reconstruction）需要FDI子系統(tǒng)提供精確及時的故障信息,從而構(gòu)造有效的容錯控制策略。但故障診斷機構(gòu)的診斷會受到外部擾動、時滯、系統(tǒng)模型不精確性及其他環(huán)境因素的影響,給出不夠精確甚至錯誤的故障診斷信號。顯然,應(yīng)用誤診的故障信號重組或重構(gòu)容錯策略控制系統(tǒng)會給系統(tǒng)帶來災(zāi)難性的破壞。所以,另一類不需要精確故障信息的主動容錯控制方法——自適應(yīng)方法迅速成為學(xué)者們研究的熱點。自適應(yīng)技術(shù)可以獲取未知參數(shù)每個時刻的估計信息,且控制增益可以響應(yīng)參數(shù)的變化而實時變化。根據(jù)此特點,在故障未知的情況下,利用自適應(yīng)技術(shù)估計故障信號代替故障診斷機構(gòu)的診斷信號,再應(yīng)用估計信號作為間接信號輔助構(gòu)造容錯控制策略。因此,與基于FDI技術(shù)的容錯控制方法不同,基于自適應(yīng)技術(shù)的容錯控制策略不需要估計準(zhǔn)確的故障信息,對容錯控制系統(tǒng)也更能保證它的可靠性。

本書主要考慮基于自適應(yīng)技術(shù)的主動容錯控制方法。所涉及的系統(tǒng)元件故障包括執(zhí)行器、傳感器和關(guān)聯(lián)鏈接的故障,而故障類型則有中斷、部分失效、偏移和非參數(shù)化卡死執(zhí)行器和傳感器故障,以及信號衰減、惡化等網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)鏈接故障。本書所包含的系統(tǒng)不僅有連續(xù)時不變線性系統(tǒng)和不確定系統(tǒng),還有分布式控制系統(tǒng)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和多智能體系統(tǒng),所提出的方法也能推廣到非線性系統(tǒng)、時滯系統(tǒng)和隨機系統(tǒng)等。所提出的自適應(yīng)方法對故障有極強的補償能力和魯棒性,但本書中的方法也不是完美的容錯控制方法,也存在著一些缺點,如計算負(fù)擔(dān)較重,系統(tǒng)得不到解析解,特別是對實際工業(yè)的應(yīng)用還需要進(jìn)一步改進(jìn)。因此,作者希望本書能起到拋磚引玉的作用,給學(xué)者們提供一個別樣的思維平臺,并期待學(xué)者們能提出更好的、更有應(yīng)用價值的容錯控制方案,進(jìn)一步提高系統(tǒng)運行的安全性、可靠性和運行效率。

本書的寫作是在導(dǎo)師楊光紅教授悉心教導(dǎo)下完成,楊老師以他淵博的知識和雄厚的科學(xué)研究功底給本書的形成創(chuàng)造了基本條件,在此對楊老師表示深深的感激和敬意。本書的出版得到了沈陽大學(xué)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的重視和幫助,并獲得控制理論與控制工程學(xué)科建設(shè)經(jīng)費資助,在此十分感謝領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)懷,為我們解決后顧之憂。本書部分章節(jié)是在常曉恒博士,朱訓(xùn)林博士的討論下完成的,寫作階段更得到家人的理解和支持,在此對他們以及所有關(guān)心鼓勵我的人表示感謝！

由于時間較為倉促,書中難免有不妥之處,希望各位讀者見諒并不吝指正！

金小崢

2013年9月于沈陽