非线性系统主动容错控制综述
６ 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） ２０１４年第３３卷第４期
非线性系统主动容错控制综述
毛海杰，李炜，冯小林
（兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州７３００５０）
摘要：以故障发生部位为分类视角，分别从传感器故障、执行器故障及其他部件故障３个方面，较为详 细地对近５年非线性系统主动容错控制的研究进展情况进行了归纳和总结，重点讨论了执行器故障的容 错控制问题，并对所存在的问题与未来的发展趋势进行了探讨。 关键词：主动容错控制；非线性系统；故障诊断 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－９７８７（２０１４）０４－０００６－０４
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ｆａｕｌｔ ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ
ＭＡＯ Ｈａｉ－ｊｉｅ，ＬＩ Ｗｅｉ，ＦＥＮＧ Ｘｉａｏ—ｌｉｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｒｅｖｉ‘ｅｗ ｏｎ ａｃｔｉｖｅ ｆａｕｌｔ ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ（ＡＦＴＣ）ｆｏｒ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｆｒｏｍ ｆａｕｌｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｖｉｅｗ，ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ＡＦＦＣ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅａｒｌｙ ５ ｙｅａｒｓ ｆｒｏｍ ｔｈｒｅｅ ａｓｐｅｃｔｓ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｆａｕｌｔｓ，ａｃｔｕａｔｏｒ ｆａｕｌｔｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆａｕｌｔｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｆｏｒ ａｃｔｕａｔｏｒ ｆａｕｌｔｓ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ａｎｄ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅ ｆａｕｌｔ ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ（ＡＦＴＣ）；ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ；ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ
０引 言
近３０年发展起来的容错控制技术，为提高复杂系统可
靠性提供了一条有效途径 ，其基本思想是利用系统的
冗余资源来实现故障的容错，即在某些部件发生故障的情
况下，通过对故障的鲁棒设计或系统重构、控制策略的调整
等，仍能保证系统按原定性能指标继续运行，或以牺牲性能
损失为代价，保证系统在规定时间内安全地完成其预定控
制任务。
近年来，容错控制无论在理论研究还是实际应用方面
都取得了较大的进展 ，在分类方法方面，目前比较公认
的分类思想是将容错控制分为主动容错控制（ＡＦＴＣ）和被
动容错控制（ＰＦＹＣ） Ｊ。被动容错控制在构造思路上借鉴
鲁棒控制的思想，通过设计一种有效的控制器，使得其对参
数变化、外界干扰甚至故障不敏感，从而达到容错的目的。
其特点是对所有可能发生的故障类型事先均需已知，控制
器的设计较保守，控制性能难以达到最优。主动容错控制
包含一个故障检测与诊断（ｆａｕｌｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ，
ＦＤＤ）子系统，能在线检测和分离出系统发生的故障，并根
据不同故障模式通过对已有控制律进行重组或重构，进而 使故障发生后的系统在新的容错控制器的支配下获得较为
满意的控制效果。相比于被动容错控制，主动容错控制在
性能上总体更优 ，在设计方法上更有弹性，也更有应用
价值，因此，学术界也给予了更多的关注。本文重点讨论主
动容错控制方法。
现存的主动容错控制方法中，针对线性系统的研究已
趋于成熟，而对非线性系统的研究正处于发展之中，成果相
对有限，其困难主要在于非线性系统本身的复杂性，使得原
有的对线性系统适用的建模、控制等方法均受到限制。同
时主动容错控制中的ＦＤＤ与控制器调节机制对于非线性
系统的故障检测和分离具有特殊的复杂性。然而，实际对
象大多是非线性的，加上线性系统发生故障后，工作点也很
容易进入非线性区域，因此，研究非线性系统的容错控制方
法具有重要的理论与实际应用价值。
本文以故障发生部位为分类视角，分别从传感器故障
的容错、执行器故障的容错及其他部件故障的容错三方面
对非线性系统的主动容错控制方法进行归纳和总结，重点
讨论了执行器故障的容错控制问题，并探讨存在的问题与
未来的发展趋势。
收稿日期：２０１３－０９－０４ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１３６４０１１，６１３７００３７，６１２６３０４７）；甘肃省自然科学Ｊ 资川 贞目（１３１０１ＬＩＹＡＯ１９）
第４期 毛海杰，等：非线性系统主动容错控制综述 ７
１主动容错控制的基本思想
主动容错控制是指在故障发生时，通过ＦＤＤ系统检测
出故障后，利用故障信息，通过调整控制器的参数或结构，
主动实现对故障的处理，最终使得系统按期望的性能或性
能略有降低安全地完成控制任务。主要包括三方面：ＦＤＤ、
可重构的控制器（ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）及控制器重组机 制（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）。系统结构如图１
所示。
一 ｛ ｛
图１主动容错控制结构图 Ｆｉｇ １ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ｆａｕｌｔ ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ２针对传感器故障的主动容错控制方法
对传感器故障实现容错的思路可分为两大类：一类是
对故障传感器本身进行重构，另一类是对控制器进行重组
或重构，具体分析如下。
２．１ 对故障传感器进行重构
此类方法是基于系统中各个传感器之间的冗余性，利
用状态估计方法或软测量等技术以实现对故障传感器本身
的估计或重构。文献［７］针对导弹姿态仰俯控制系统中传
感器故障问题，通过构造数值积分器和微分器实现了对故
障传感器的重构，并采用输出反馈控制策略达到对故障的
主动容错。文献［８］应用自适应滤波器ＦＩＲ输出替代故障
传感器信号，实现传感器故障情形下水下机器人的容错控
制。上述文献都是针对单传感器故障情形。文献［９］针对
一类多变量不确定系统的多传感器故障问题，利用加权移
动平均残差技术检测多重传感器故障，基于神经网络建模
技术在线重构故障传感器信号，并将重构的传感器信号切
换到ＰＩＤ控制器的反馈回路，以实现对多故障传感器的容
错。文献［１Ｏ］采用广义系统方法对传感器故障进行重构和
补偿，实现了在控制器不变情况下，故障后系统的稳定。
２．２对控制器进行重构 该方法的基本思想是在ＦＤＤ发生后，采用状态反馈、
参数估计等方法实现对控制器进行重组或重构，这是针对
传感器故障主动容错控制中研究最为广泛的一种方法。文
献［１１］采用控制律重构法，针对传感器突变故障，以故障发
生前后闭环系统静态增益维持不变作为设计目标，使系统
发生故障后的静态增益充分接近正常情况下的静态增益，
同时保证故障后闭环极点处于某个可行区域内以维持系统
的次优动态性能。针对脱芳烃生产过程中产品质量分析器
的故障，文献［１２］采用基于数据驱动的偏最小二乘、神经网
络、子空间辨识及３种方法的组合等，实现了对故障的检
测，利用故障诊断得到的故障信息，通过对质量控制器的参 数进行调节来实现脱芳烃过程的容错控制。文献［１３］针对
一类非线性Ｉｔ 型随机系统传感器故障问题，在同时存在输 入和输出扰动情形下，设计的滑模观测器同时实现对系统
的状态、故障向量及干扰的估计，并基于状态估计，设计了
积分型滑模控制策略，保证了故障后系统的稳定性。文
献［１４］利用传感器融合估计方法，通过提前离线计算系统
在正常状态下的状态跟踪误差数据集，当发生故障时，该计
算值会偏离这一数据吸引中心，以此检测故障的发生，并在
一定假设存在的条件下，通过设计状态反馈跟踪控制器保
证系统在故障条件下闭环系统的稳定性。针对非线性系统
的序列发生故障情况，文献［１５］对各种已知故障提前设计
各故障模式所对应的控制器，不同于多模型主动容错控制，
该方法通过设计简单有效的控制器轮流切换策略，降低了
故障发生到容错控制实现的时间间隔，保证了发生连续故
障时状态和输出调节的有界性。后２种方法对传感器故
障、执行器故障均适用。
３针对执行器故障的主动容错控制方法
执行器作为控制系统的驱动设备，直接作用于被控对
象或过程，因长期频繁地执行控制任务，是极易发生故障的
部件。执行器发生故障后，不仅原来的控制律得不到执行，
而且任何微小的故障都将直接快速地影响被控对象的输
出，从而影响整个控制系统的性能。
相比于传感器故障，执行器故障处理起来更加棘
手 。在研究方法方面，针对执行器故障的容错控制可归
结为基于自适应重构方法、基于故障调节方法、基于多模型
方法及基于智能控制方法四大类，具体分析如下。
３．１基于自适应重构方法
该方法的总体思想是利用自适应算法重构或跟踪系统
的不确定性，采用鲁棒控制、线性矩阵不等式、自适应逆最
优控制等相应的控制策略，保证 故障系统在Ｌｙａｐｕｎｏｖ意
义下的稳定性，从而达到容错控制的目的。由于其灵活性
和多样性，适用范围广，几乎涵盖各种类型的故障，因此，它
是研究较为广泛的一类方法。文献［１７］基于自适应逆最优
控制原理，针对卫星在轨飞行中执行机构故障情况，将系统
的不确定性参数作为估计的自适应参数，通过求解自适应
控制Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数，设计了能够保证原系统稳定的自适应
逆最优控制器，并从理论上证明＿『控制器的稳定性。文
献［１８］采用轨迹线性化方法，针对无人机的四旋翼飞行器
推进器微小故障和严重故障，分别采用了自适应时变带宽
技术和增益再分配等方法。文献［２０，２１］分别针对ＭＩＳＯ
和ＭＩＭＯ一类具有执行器卡死、执行器部分失效及组合故
障的非线性最小相位系统，提出一种自适应容错跟踪控制
方案。采用自适应算法估计系统的不确定性，利用神经网
络逼近执行器未知故障函数，完成了执行器组合故障状态
下的跟踪控制。文献［２２］针对具有无穷分布时延的离散非
非线性系统闭式被控对象故障诊断方法研究
非线性系统闭式被控对象故障诊断方法研究
随着自动化及集成程度的提高,系统愈发复杂,现代系统故障诊断方法和技术作为主动容错控制的前提,已成为该领域最具前沿性的研究热点。被控对象(机械本体)和控制系统作为现代系统的重要组件,相应的故障诊断已发展成为两个不同的研究方向,前者以监测和诊断过程对象为目的,典型的为机械本体零部件之一的转子系统故障诊断研究;后者以控制为目的,集中于对控制系统中执行器和传感器的故障诊断研究,但对被控对象(机械本体)的故障诊断方法研究甚少。
为此,在深入思考非线性系统中被控对象的特点及对系统性能影响的基础上,定义了闭式被控对象的概念;以控制为目的开展了针对闭式被控对象的故障诊断方法研究,并应用于固定翼无人机闭式被控对象的故障检测。该研究对故障诊断方法以及丰富故障诊断内容具有重要的科学意义,在工程应用领域具有广阔的前景。
状态空间分析法是有效的非线性系统分析方法。针对闭式被控对象故障、控制系统中传感器故障和执行器故障描述了一类连续不确定非线性动态系统的状态空间模型,为故障诊断分析和方法研究奠定了理论基础。
为了实现非线性系统中传感器、执行器和闭式被控对象的故障隔离,针对系统中存在单一故障,提出了基于双滑模观测器的故障隔离方法,即对整个非线性系统和执行器系统分别设计滑模观测器,根据两观测器的残差变化依次诊断出传感器、执行器和闭式被控对象故障,通过数值仿真,验证了该方法的有效性。在故障隔离时执行器的故障诊断对确定闭式被控对象的故障起到了决定性作用。
故针对非线性系统中含有多个执行器情形,提出了基于多滑模观测器的执行器故障诊断方法,对系统中包含的多个执行器设计彼此独立的全阶滑模观测器,各观测器的残差变化反映出了每个执行器故障,仿真结果表明:实现了执行器的故障检测与隔离;通过设计的降维状态观测器,并结合曲线拟合方法,重构执行器故障并给出了设计步骤。由于执行器故障和闭式被控对象故障在状态空间模型描述上具有相似的表达形式,使得难以实现故障隔离。
容错控制在电力系统中的应用研究
第２８卷第０５期 ２０１１年１０月 华东交通大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｂ１．２８ Ｎｏ．０５ ０ｃｔ．．２０１１
文章编号：１００５—０５２３（２０１１）０５—００１８－０５
容错控制在电力系统中的应用研究
程宏波，吴文辉，王勋
（华东交通大学电气与电子Ｔ程学院，汀西南昌３３００１３）
摘要：在介绍容错控制基本思想的基础上，从容错控制的角度对提高电力系统可靠性的措施进行了分析，总结了电力系统中 已有的用以提高可靠性的方法与容错控制之间的关系，综述了电力系统中容错控制方法的应用，分析了其面临的问题和将 来的发展趋势，对容错控制在电力系统中的应用进行了展望。 关键词：电力系统；容错控制；故障检测；可靠性 中图分类号：ＴＭ７７４ 文献标志码：Ａ
社会的发展使得人们对电能的依赖越来越强，对电力系统的可靠性提出了更高的要求。当前电网互
联，相互之间的依赖增强，使得电力系统的结构更加复杂，故障的发生不可避免。而电力系统一旦出现故
障，将会造成巨大的社会、经济、政治影响。 容错控制（ｆａｕｌｔ ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ，ＦＴｃ）是一门高可靠性学科。所谓容错是容忍故障的简称，它通过对系
统的设计，使得当一个或部分元件发生故障后，系统仍然能按原定性能指标或是性能指标略有降低但在可
以接受的范围内运行，从而保证系统的正常运行 。 。容错控制为提高复杂系统的可靠性开辟了一条新的
途径，也为提高电力系统的可靠性提供了一种新的思路。
ｌ容错控制简介
容错控制是一门应用型边缘交叉学科，它的理论基础涉及现代控制理论、计算机工程、数理统计、信号
处理、模式识别、人丁智能以及相应的应用学科 。容错控制的指导思想是一个系统一旦发生故障，而且这
种故障会对系统的稳定性及性能有很大的影响时，要求闭环系统仍然是稳定的，并且满足要求的性能指标。
容错控制系统设计主要包含两个问题：故障诊断机构的设计和容错控制器的设计 。故障诊断技术 的发展为容错控制的研究提供了必要的基础和前提，容错控制为故障诊断的研究注入了新的活力，这两个
一种基于多模型的主动容错控制方法研究
第１９卷第４期 ２００７年１２月 甘肃科学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇａｎｓｕ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｖ０Ｌ１９ Ｎｏ．４ ＤＣＣ．２００７
一种基于多模型的主动容错控制方法研究
李 炜，鲁保云，乔平原
（兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州 ７３００５０）
摘要： 针对某些具有可能故障先验知识的非线性系统，基于神经网络对系统正常及各种先验故
障情形建模，并离线整定出各种故障模式下的控制律，由此建立模型库，进而构建基于多模型切换的
主动容错控制系统；系统实时运行时，依据系统性能容忍度指标和模型失配度指标的计算分析，判断 系统所处运行模式，进而调用与之匹配的控制律，从而达到对非线性系统主动容错控制的目的．最后
将文中所提出的主动容错控制方法应用于一非线性系统进行ＭＡＴＬＡＢ仿真，结果表明了该方法的 有效性．
关键词： 神经网络；模型库；主动容错控制
中图分类号：ＴＰ３９１．４１ 文献标识码： Ａ 文章编号：１００４—０３６６（２００７）０４—００９２—０５
Ａｃｔｉｖｅ Ｆａｕｌｔ—Ｔｏｌｅｒａｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｌｓ
ＬＩ Ｗｅｉ，Ｉ Ｕ Ｂａｏ—ｙｕｎ，ＱＩＡ０ Ｐｉｎｇ—ｙｕａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｎ ａｃｔｉｖｅ ｆａｕｌｔ—ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｂａｎｋ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｂａｎｋ ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ＮＮ ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｈｉｃｈ ａｉｍｅｄ ａｔ
分布式电动车辆驱动系统MFAC主动容错控制
分布式电动车辆驱动系统MFAC主动容错控制
胡云; 江发潮; 陈锐; 罗禹贡
【期刊名称】《《汽车工程》》
【年(卷),期】2019(041)009
【总页数】8页(P983-989,1005)
【关键词】分布式电驱动车辆; 容错控制; 无模型自适应控制
【作 者】胡云; 江发潮; 陈锐; 罗禹贡
【作者单位】中国农业大学工学院 北京 100083; 清华大学车辆与运载学院 北京
100084
【正文语种】中 文
前言
四轮独立驱动的分布式电驱动车辆具有节能且电机冗余的特点，应用日益广泛，其4个电机都能独立控制［1-2］，但是电机发生故障时，故障电机无法输出驱动转矩，势必导致车辆出现一系列非期望参数变化，使车身出现失稳的情况，从而增加交通事故发生的概率。但考虑到分布式电驱动车辆4个轮毂电机和转向电机构成系统冗余配置，驱动系统执行器发生故障以后，可以通过驱动系统非故障电机和转向系统的协同控制，实现车辆在驱动系统发生失效以后维持既定轨迹行驶，从而保证驾驶员的安全。
容错控制技术最先是在航空航天领域得到发展，所用到的控制方法包括线性二次控制［3］、滑模控制［4］、控制分配［5］、机器学习［6］等；在车辆容错控制领域，学者对执行器故障诊断以及容错控制策略进行了相关研究，但大部分集中于传统车辆［7］。近年来针对分布式电驱动车辆驱动系统容错控制也有学者进行了相关研究，但大多集中于电机故障诊断以及电机失效控制上。有学者提出同时关闭分布式电驱动车辆失效车轮电机和对侧电机的方法，这样在单个车轮发生故障或者是同轴两个电机故障的情况下能提供部分驱动力且维持车辆稳定性，易于实现，但其没有根据车辆实时状态对车辆车轮转矩进行实时分配，降低了车辆纵向驱动能力［8］；清华大学褚文博等［9］针对四轮独立驱动电动车研究了兼顾纵向动力性和横向稳定性的基于规则转矩分配的容错控制策略，但没有考虑部分失效以及其失效后无法进行自适用容错控制；美国俄亥俄州立大学Wang等［10］针对四轮独立电驱动车辆驱动系统容错控制提出了基于自适应的被动容错控制方法和主动故障诊断方法来精确隔离和评估故障，该方法没有考虑不确定性对控制系统带来的影响，并且需要建立复杂的车辆动力学模型。
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
ACTAAUTOMATICASINICAVol.26,No.6Nov.,2000
1)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) DingX
(Lausitz大学电气工程系 德国)
(E-mail:ZDH@)
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.
THEORYANDAPPLICATIONSOFFAULT
TOLERANTCONTROL
ZHOUDonghua
(Dept.ofAutomation,TsinghuaUniversity,Beijing100084)
DINGX
(Dept.ofEE,LausitzUniv.,Germany)
Abstract Asurveyoffaulttolerantcontrolfordynamicsystemsispresented.The
mainresultsinclassicalfaulttolerantcontrolarefirstlyintroduced.Then,empha-
sisisputontherobustfaulttolerantcontrolaswellasthefaultdiagnosisandfault
tolerantcontrolofnonlinearsystemsdevelopedinrecentyears.Sometypicalappli-
cationresultsoffaulttolerantcontrolarediscussed,andfinally,someopenques-
一种动态非线性容错控制算法及其在可靠性控制中应用
ＩＳＳＮ １ｏｏ９—３０４４ ＣｏｍｐｕｔｅｒＫｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脑知识与技术 Ｖｏ１．６，Ｎｏ．３４，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１０，ＰＰ．９８００—９８０ １
一种动态非线性容错控制算法及其在可靠性控制中应用
李佳
（江苏科技大学，江苏连云港２１５６００） Ｅ—ｍａｉｌ：ｅｄｕｆ＠ＣＣＣＣ．ｎｅｔ．ｃｎ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｎｚｓ．ｎｅｔ．ｃｎ
Ｔｅｌ：＋８６—５５ １—５６９０９６３ ５６９０９６４
摘要：以改进的ＣＭＡＣ（ｃｅｒｅｂｅＵａｒ ｍｏｄｅｌ ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ）神经网络为在线故障诊断的手段，提出一种动态非线性系统自适应容
错控制方法。在常规ＣＭＡＣ学习算法中，误差被平均地分配给所有被激活的存储单元，不管各存储单元存储数据（权值）的可信程
度，改进的ＣＭＡＣ中，利用激活单元先前学习次数作为可信度。其误差校正值与激活单元前学习次数的负ｋ次方成比例。从而提高
神经网络的在线学习速度和精度；在故障在线学习的基础上进行系统的容错控制律的在线重构，实现其在线故障诊断与容错控制
的集成，分析了系统的稳定性，并给出了仿真结果。
关键词：神经网络，故障诊断，容错控制
中图分类号：ＴＰ３１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—３０４４（２０１０）３４—９８００—０２
Ａ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｆａｕｌｔ－ｔｏｌｅｒａｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ
ＬＩＪｉａ ‘
（Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ ２１５６００，Ｃｈｉｎａ）
● Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｆａｕｌｔ～ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ＣＭＡＣ（ｃｅｒｅｂｅＵａｒ ｍｏｄｅｌ ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ）ｕｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＣＭＡＣ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｆ ｅｒｒｏｒｓ ａｒｅ ｅｑｕａｌｌｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎｔｏ ａｌｌ ａｄｄｒｅｓｓｅｄ ｈｙｐｅｒｃｕｂｅｓ，ｒｅｇａｒｄｌｅｓｓ ｔｈｅ ｃｒｅｄｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｏｓｅ ｈｙｐｅｒｃｕｂｅｓ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｐ— ｐｒｏａｃｈ ｉｓ ｔｏ ｕｓｅ ｔｈｅ ｌｅａｒｎｅｄ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ａｄｄｒｅｓｓｅｄ ｈｙｐｅｒｃｕｂｅｓ ａｓ ｔｈｅ ｃｒｅｄｉｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｆ ｅｒｒｏｒｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒ－ ｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅａｒｎｅｄ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ａｄｄｒｅｓｓｅｄ ｈｙｐｅｒｃｕｂｅｓ．Ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｉｄｅａ，ｔｈｅ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｃａｎ ｉｎｄｅｅｄ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ＣＭＡＣ ｆａｕｌｔ ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｗ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｒｅ ａｎ－ ａｌｙｚｅｄ ｕｎｄｅｒ ｆａｉｌｕｒｅ ｓｃｅｎａｒｉｏｓ．Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ＣＭＡＣ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆａｕｌｔ－ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．
基于逆系统多模型内模主动容错控制
第２８卷第３期 计算机仿真 ２０１１年３月
文章编号：１００６—９３４８（２０１ １）０３—０２２２—０５
基于逆系统多模型内模主动容错控制
李炜，程应峰，许德智
（兰州理工大学电气与信息工程学院，甘肃兰州７３００５０）
摘要：针对现有非线性系统对故障容错的快速性和可靠性不足，从而导致容错失败的问题，为解决上述问题，研究了一类具 有可能故障先验知识的非线性系统，提出了一种基于最小二乘支持向量机（ＬＳ—ＳＶＭ）建模的逆系统多模型内模主动容错控
制方法。采用ＬＳ－ＳＶＭ对系统正常以及各种先验故障情形的逆系统进行建模，构造系统的逆模型库，根据逆系统方法将逆
模型与被控系统串联形成伪线性系统，设计具有良好鲁棒性能的内模控制器。系统在线运行时，监控决策机制基于对系统 性能指标的仿真计算，结果表明在无需改变内模控制器的情况下达到对非线性系统故障容错的快速性和可靠性，证明方法
的有效性。
关键词：逆系统；内模主动容错控制；多模型；逆模型库；最小二乘支持向量机
中图分类号：ＴＰ ２７３ 文献标识码：Ａ
Ａｃｔｉｖｅ Ｆａｕｌｔ Ｔｏｌｅｒａｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉ－Ｍｏｄｅｌ
Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｍｏｄｅｌ
ＬＩ Ｗｅｔ，ＣＨＥＮＧ Ｙｉｎｇ－ｆｅｎｇ，ＸＵ Ｄｅ－ｚｈｉ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｇａｎｓｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｂｅｃｕａｃｅ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎ ｑｕｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ｆａｕｌｔ－ｔｏｌｅｒａｎｔ，
ｗｈｉｃｈ ｏｆｔｅｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｆａｉｌｕｒｅ，Ｂｙ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ａ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｐｒｉｏｒｉ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｏｆ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｆａｉｌｕｒｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ
一种基于BP网络的多模型预测主动容错控制方法
第２Ｏ卷第２期 ２００８年６月 甘肃科学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇａｎｓｕ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｖｏ１．２Ｏ ＮＯ．２ Ｊｕｎ．２００８
一种基于ＢＰ网络的多模型预测 主动容错控制方法
李 炜，马 克，鲁保云 （兰州理工大学电气与信息工程学院，甘肃兰州 ７３００５０） 摘要： 针对非线性受控对象，给出了一种基于ＢＰ神经网络的多模型预测主动容错控制方案，设 计了故障诊断与决策机制的算法步骤，在基于ＢＰ网络建立系统正常或故障状态动态模型库的基础 上，利用预测控制算法得到控制律，达到对非线性系统主动容错控制的目的．仿真结果表明所述方法 的可行性和有效性． 关键词： 主动容错控制；神经网络；预测控制；模型库 中图分类号： ＴＰ ２７３ 文献标识码： Ａ 文章编号：１００４—０３６６（２００８）０２—０１０７—０５
Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｆａｕｌｔ—ＴＯｌｅｒａｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｌｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＢＰ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ
ＬＩ Ｗｅｉ，ＭＡ Ｋｅ，ＬＵ Ｂａｏ－ｙｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｎｅｗ ａｃｔｉｖｅ ｆａｕｌｔ—ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ＢＰ ｎｅｔ— ｗｏｒｋｓ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｔｕｎｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｓ ｕｓｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｔｏ ｄｅｍｏｎ— ｓｔｒａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｃｔｉｖｅ ｆａｕｌｔ—ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｍｏｄｅｌ ｂａｎｋ
一类多平衡态非线性系统的动态输出反馈鲁棒容错控制
第１７卷第１期
２００７年３月 湖南工程学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．１７．Ｎｏ．１
Ｍａｒ．２００７
一类多平衡态非线性系统的动态输出
反馈鲁棒容错控制
赵胜凯。，奥顿
（１．北京交通大学电子信息工程学院，北京１０００４４；２．北京大学工学院，北京１００８７１）
摘要：针对一类多平衡态非线性系统，考虑系统具有范数有界时变参数不确定性，存在执行器故障时
的绝对稳定控制问题．对于Ｌｕｒ’ｅ型多平衡态非线性系统，基于将Ｌｃｏｎｏｖ的频域判据转化为日。次优问
题，考虑系统具有范数有界时变参数不确定性，且系统的执行器出现故障时，采用动态输出反馈控制，给
出系统鲁棒容错控制器存在性问题的判据，进一步给出了基于ＬＭＩ（线性矩阵不等式）的鲁棒控制器的
设计方法．仿真表明了该方法的有效性．
关键词：多平衡态；绝对稳定；执行器故障；ｔＭｉ（线性矩阵不等式）
中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１一Ｉ１９Ｘ（２００７）Ｏｌ一００１４—０５
０ 引 言
对于多平衡态系统的研究，国际上主要有前苏
联经历了近二十多年的发展，取得了一系列的有价
值的成果＿１ Ｊ．从七十年代开始以Ｌｃｏｎｏｖ为代表的
一批俄罗斯学者，开始把频域不等式的方法与
Ｌｙｐｕｎｏｖ方法结合运用具有多平衡位置的非线性系
统的总体性质的研究中，给出了判断一类Ｌｕｒ’ｅ型
系统的具有总体性质的频域判据．但未考虑系统中
存在的不确定性．而实际系统中，不确定性的存在是
不可避免的．近年来，一部分学者开始考虑不确定性
因素的影响，并进一步考虑了控制器的问题 ，但
未考虑当执行器或传感器出现故障的情况．
现代工程技术朝着大规模、复杂化方向发展，一
旦此系统发生故障会造成人员与财产的巨大损
失 ．容错控制就是针对系统可能发生故障的问题
而提出来的，也是近年来控制理论及应用研究中的
基于多模型切换的智能主动容错控制方法研究
第２５卷第１期 计算机仿真 ２００８年１月
文章编号：１００６—９３４８（２００８）０１—０３２８—０４
基于多模型切换的智能主动容错控制方法研究
李炜，鲁保云
（兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州７３００５０）
摘要：针对某些具有可能故障先验知识的非线性系统，采用主动容错控制方法，基于神经网络对系统正常及各种先验故障情
形建模，并采用基于神经网络的ＰＩＤ控制方法离线整定出各种故障模式下的控制律，由此建立模型库；在系统实时运行时，
依据系统性能容忍度指标和模型失配度指标的计算分析，判断系统所处运行模式，切换与该模式匹配的控制律，从而达到系
统主动容错控制的目的。最后将所提出的主动容错控制方法应用于某一非线性系统和线性系统，仿真结果表明了方法的有 效性。
关键词：非线性系统；神经网络；模型库；主动容错控制 中图分类号：ＴＰ ２７３ 文献标识码：Ａ
Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ａｃｔｉｖｅ Ｆａｕｌｔ——ｔｏｌｅｒａｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅｌｓ Ａｐｐｒｏａｃｈ
ＬＩ Ｗｅｉ．ＬＵ Ｂａｏ—ｙｕｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｇａｎｓｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ａｎ ａｃｔｉｖｅ ｆａｕｌｔ—ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｏｄｅｌ ｂａｎｋ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ
ｂａｎｋ ｉｓ ｆｏｒｍｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ＮＮ ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｉｍｅｄ ａｔ ｖａｒｉｏｕｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｍｏｄｅｓ．
Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ａｒｅ ｔｒａｉｎｅｄ ｏｆｆｌｉｎｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｏｆ