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