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互联系统容错控制的研究回顾与展望
资料介绍
互联系统的容错控制是近年来控制领域的研究热点,具有重要的理论价值和实际意义.本文阐述了互联系统容错控制的基本结构和主要思想,总结了带有机械互联、网络互联和模型虚拟互联的三类互联系统的容错控制最新研究成果,并对该研究方向进行了展望.
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（完整内容请下载后查看）第 43 卷 第 1 期
2017 年 1 月
自
动
化
学
报
Vol. 43, No. 1
January, 2017
ACTA AUTOMATICA SINICA
互联系统容错控制的研究回顾与展望
周东华 2
3
杨 浩 1
姜 斌 1
摘
要
互联系统的容错控制是近年来控制领域的研究热点, 具有重要的理论价值和实际意义. 本文阐述了互联系统容错控
制的基本结构和主要思想, 总结了带有机械互联、网络互联和模型虚拟互联的三类互联系统的容错控制最新研究成果, 并对该
研究方向进行了展望.
关键词 互联系统, 容错控制, 协同控制, 网络控制
引用格式 杨浩, 姜斌, 周东华. 互联系统容错控制的研究回顾与展望. 自动化学报, 2017, 43(1): 9-19
DOI 10.16383/j.aas.2017.c160193
Review and Perspectives on Fault Tolerant Control for Interconnected Systems
3
YANG Hao1
JIANG Bin1
ZHOU Dong-Hua2
Abstract Fault tolerant control (FTC) of interconnected systems is a remarkable aspect of the control field in recent
years, which has both important academic and engineering values. This paper introduces the basic structure and main
idea of the FTC design for interconnected systems, and makes a comprehensive review of the recent theoretical results
on the FTC of systems with mechanical interconnections, network interconnections, and model virtual interconnections.
Some perspectives are also provided.
Key words Interconnected systems, fault tolerant control (FTC), cooperative control, control of networks
Citation Yang Hao, Jiang Bin, Zhou Dong-Hua. Review and perspectives on fault tolerant control for interconnected
systems. Acta Automatica Sinica, 2017, 43(1): 9-19
随着控制系统规模的日益增大和不断提高的控
制品质要求 越来越多的复杂系统具有多子系统互
联的特性 由于各个子系统都有着不同的动态特性
和控制要求 因此无法再运用单一系统模型建模 而
运用互联系统建模是一种行之有效的办法 互联系
统由一组子系统通过一定的耦合机制组成 通过各
个子系统的共同作用达到满意的局部 每个子系统
和全局 整个互联系统 性能[1] 互联系统的耦合机
制可以分为两大类[2]
机械互联 即子系统之间通
过机械部件连接 例如多体航天器的各个刚性部件
和挠性部件通过特定的铰链机构连接[3]、大规模智
能电网的各个节点通过传输线路连接[4]
网络互
联 即子系统之间通过通信网络相互连接 例如机器
人编队、飞行器编队等多智能体系统[5] 由于系统固
有的互联特性 很多单一系统的控制方法很难应用
于互联系统 因此对互联系统的研究有着重要的理
论意义和应用价值 经过数十年的发展 互联系统的
分析和设计取得了令人鼓舞的进展[1]
收稿日期 2016-02-29 录用日期 2016-09-30
Manuscript received February 29, 2016; accepted September
30, 2016
国家自然科学基金 (61490703, 61473143, 61622304), 江苏省自然科
学基金 (BK20160035), 中央高校基本科研业务费 (NE2014202, NE2
015002, NE2015103), 流程工业与自动化国家重点实验室开放课题资
现代精密的控制系统对各部件的可靠性和准确
性的要求越来越高 系统内部各个环节的故障都可
能彻底改变系统行为 导致系统性能下降 甚至不稳
定 容错控制的目的在于通过控制器的调节使得故
障系统仍能保持满意的性能或者至少达到可以接受
助
Supported by National Natural Science Foundation of China
(61490703, 61473143, 61622304), Natural Science Foundation of
Jiangsu Province (BK20160035), Fundamental Research Funds
for the Central Universities (NE2014202, NE2015002, NE20151
03), and State Key Laboratory of Synthetical Automation for
的性能指标 经过
硕的研究成果[6-9]
余年的发展 该领域涌现出丰
互联系统的容错控制问题近年来引起了越来越
多的重视 互联系统存在两大类故障 子系统故
障 影响每一个子系统的动态特性 例如执行器故
障、传感器故障等 耦合故障 影响耦合机制的行
Process Industries
本文责任编委 夏元清
Recommended by Associate Editor XIA Yuan-Qing
1. 南京航空航天大学自动化学院 南京 211106 2. 山东科技大学电
气工程与自动化学院 青岛 266590
084
3. 清华大学自动化系 北京 100
为 例如机械铰链故障、网络通信故障等
1. College of Automation Engineering, Nanjing University of
Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106 2. College of
Electrical Engineering and Automation, Shandong University of
互联系统的容错控制技术研究具有重要的理论
价值和迫切的实际需要
来自学术研究的需要 众
Science and Technology, Qingdao 266590 3. Department of
Automation, Tsinghua University, Beijing 100084
10
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43 卷
所周知 互联系统的稳定性只有在非常严格的条件
下才能满足 对每个子系统和耦合机制都有严格的
约束 目前许多工作都关注于互联系统的离线设计
保证互联系统按照期望的状态工作 然而故障会突
然改变子系统和耦合机制的行为 而容错控制策略
必须在线运用[10-12] 以维持系统在故障情况下的稳
体性能指标 从每个子系统的层面 考察每个子系统
在故障情况下如何实现稳定性、动态特性、最优性
等
满足全局性能指标 从互联系统的全局 考察
整个系统在故障情况下如何实现全局的稳定性、一
致性、同步性、最优性等
针对这两大类目标 容错控制的核心思想也可
定性 这给理论研究带来了巨大的挑战
来自工
分为两大类
个体容错 这种思想的本质是从子
程应用的需要 由于实际系统的复杂性 许多系统都
利用互联系统建模 这些系统对于安全性和可靠性
的要求非常高 因此迫切需要有效的容错控制技术
机械互联和网络互联都具有明确的物理背景的
耦合机制 除此之外 还有一类复杂系统本身没有明
确的互联特性 但为了便于对其分析和设计 将原系
统分解为多个具有不同特性或用途的子系统 进而
运用互联系统模型和方法加以研究 这一类耦合称
系统层面出发 深入分析互联环境对每个子系统的
动态性能的影响 将互联视为子系统的干扰 研究如
何调节子系统的局部控制器和互联机制去补偿互联
对子系统的影响 从而实现个体性能指标 这种容错
思想在机械互联系统中有着广泛的应用
全局容
错 这种思想的本质是从全局层面出发 深入分析每
个子系统的动态特性和互联特性对整个互联系统的
影响 将子系统和互联视为影响全局互联系统的关
为模型虚拟互联 例如奇异摄动理论将系统分为快、 键因素 研究如何调节子系统的局部控制器和互联
慢两个子系统 非最小相位控制理论将系统分为直
接受控部分和零动态等[13] 互联系统方法一直是研
究复杂系统容错控制的重要手段之一
机制使得子系统能够协同工作 从而实现全局性能
指标 这种容错思想尤其适用于网络互联系统
上述两种思想既有明显区别 又有密切关联 个
体性能指标和全局性能指标往往是一致的 例如机
械互联系统 所有子系统的稳定性也就意味着系统
的全局稳定性 而对于网络互联系统 所有子系统对
其相邻子系统的跟踪性能直接决定了整个互联系统
的一致性、同步性 对于某些同时带有机械互联和
网络互联的系统 个体性能指标和全局性能指标需
要同时考虑 因此两种容错思想需要综合应用 例如
在配电网的自愈控制体系中 最核心的两环控制逻
辑是指慢速全局响应环和快速局部控制环 两环控
制相互协调 同时保证全局的优化和局部的故障调
节[17]
本文对互联系统容错控制的研究进行全面梳理
和总结 需要指出的是 作为容错控制的基础和前
提 故障诊断一直是控制科学中的研究热点和难点
互联系统的故障诊断也取得了一定的成果 可以参
考文献
-
本文内容安排如下 第 节阐述互
联系统容错控制的基本结构和主要思想 第 节、第
节和第 节分别讨论带有机械互联、网络互联和
模型虚拟互联的互联系统容错控制方法 第 节给
出总结和展望
1 基本结构和主要思想
在上述容错思想的指导下 形成了三种典型的
互联系统的容错控制结构 如图 所示
考虑由
个子系统组成的互联系统模型
∈
· · ·
集中式
整个互联系统存在一
个集中的监测器 每个子系统通过监测器获得所有
子系统的状态信息和故障信息1 这种结构为子系统
控制器的设计带来极大便利 可以将互联系统看成
其中
{
· · ·
} 表示系统状态集
表
1
2
示子系统 的状态
{
· · ·
} 表示系统
1
2
控制集
表示子系统 的控制器
{
· · ·
1
2
一个整体
设计容错控制器
再由每
} 表示系统故障集
{
} 表示子系统 的
个子系统分别实现 每个控制器的形式为
故障 其中
表示子系统 自身的故障 表示子
T
T
1
然而这种结构的实现成本很高 只适合规模较小的
互联系统
系统 与其他子系统之间的耦合故障
2
T T
· · ·
题即当故障存在的情况下 保证 收敛于平衡点
虽然模型 是一般的非线性函数形式 无法
表示互联系统的向量场 容错控制问
分布式
每个子系统有自己的
监测器 只与跟它耦合的子系统进行状态和故障信
息的交互 可以充分利用与子系统 耦合的所有子
系统 的状态信息 设计控制器
反应具体的子系统动态特性和耦合特性 但可以看
出 由于子系统间的耦合 每个子系统的动态方程都
可能会受到其他子系统的影响 并且每个子系统不
但受到自身的故障影响 也会受到耦合故障的影响
∈
为与子系统 耦合的子系统集 这种
结构较集中式结构成本大大降低 且更易实现 在大
规模互联网络系统中有着广泛的应用
互联系统的容错控制目标有两大类
满足个
当状态和故障不能直接获得, 也可以只获得子系统的部分状态信息、输出信息或状态估计信息、故障估计信息等, 本文只考虑最理想的情况.
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资料：bitboy
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