4研究生课程—容错控制ppt课件.ppt

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复杂过程的容错控制技术复杂过程的容错控制技术薄翠梅薄翠梅11.1复杂过程控制系统现状分析复杂过程控制系统现状分析n复杂过程的生产环境通常处于复杂过程的生产环境通常处于高温高压或低温真空高温高压或低温真空等极端环境，如操作不当或因控等极端环境，如操作不当或因控制系统发生故障，可能造成生产中断、爆炸、毒气泄漏等危险。

制系统发生故障，可能造成生产中断、爆炸、毒气泄漏等危险。

n随着工业过程越来越趋于大型化和复杂化，以及大规模高水平的综合自动化系统的随着工业过程越来越趋于大型化和复杂化，以及大规模高水平的综合自动化系统的出现，对控制质量的要求日趋突出。

这类故障一旦发生事故就可能造成人员和财产出现，对控制质量的要求日趋突出。

这类故障一旦发生事故就可能造成人员和财产造成重大损失，因此，对生产过程运行状态、产品质量的在线检测与诊断已成为衡造成重大损失，因此，对生产过程运行状态、产品质量的在线检测与诊断已成为衡量产品质量和生产效率的关键技术。

量产品质量和生产效率的关键技术。

n生产过程的生产过程的复杂性，多回路控制的耦合现象复杂性，多回路控制的耦合现象，造成了故障在回路之间传播，使得系，造成了故障在回路之间传播，使得系统故障的检测与隔离难度加剧。

而统故障的检测与隔离难度加剧。

而目前的过程监控还停留在目前的过程监控还停留在“变量监控变量监控”、“上下上下限报警限报警”的低层次水平上的低层次水平上。

n长期超负荷运行造成系统处于长期超负荷运行造成系统处于“亚健康状态亚健康状态”。

需。

需合理描述过程的合理描述过程的“正常表现正常表现”和和“异常征兆异常征兆”现象，现象，有利于建立历史故障库和快速诊断故障；有利于建立历史故障库和快速诊断故障；n多数的流程工业都具有多数的流程工业都具有慢过程特性慢过程特性，控制精度要求比航空航天或运动控制精度要低，控制精度要求比航空航天或运动控制精度要低很多，为故障诊断与容错控制技术在工业过程中应用提供了可能性。

且连续的工业很多，为故障诊断与容错控制技术在工业过程中应用提供了可能性。

且连续的工业生产线，生产线，设备发生故障难以进行维修或者更换设备发生故障难以进行维修或者更换，需要从控制补偿的角度提出容错策，需要从控制补偿的角度提出容错策略，最大限度地将控制回路性能维持在正常状态。

略，最大限度地将控制回路性能维持在正常状态。

21.1复杂过程控制系统现状分析复杂过程控制系统现状分析n一般的过程控制系统基础层往往包含一般的过程控制系统基础层往往包含90%90%以上的常规控制回路，回路之间以上的常规控制回路，回路之间又存在关联耦合现象，一旦局部某一控制回路发生故障（例如，传感器又存在关联耦合现象，一旦局部某一控制回路发生故障（例如，传感器故障或者阀门故障），导致控制回路发生波动，性能退化，故障通过回故障或者阀门故障），导致控制回路发生波动，性能退化，故障通过回路之间关联传递机制传播到相关回路，其性能也被退化，致使整个厂级路之间关联传递机制传播到相关回路，其性能也被退化，致使整个厂级控制系统出现波动，轻则导致产品质量下降，能耗上升，重则导致厂级控制系统出现波动，轻则导致产品质量下降，能耗上升，重则导致厂级控制系统瘫痪，发生安全事故。

控制系统瘫痪，发生安全事故。

n这时往往都是现场工程师，通过对故障现象分析，准确定位控制回路，这时往往都是现场工程师，通过对故障现象分析，准确定位控制回路，并经过维护消除故障，整个工业控制系统恢复正常运行状态。

并经过维护消除故障，整个工业控制系统恢复正常运行状态。

n因此，问题回路的有效定位是解决厂级范围控制回路性能降低退化的重因此，问题回路的有效定位是解决厂级范围控制回路性能降低退化的重要因素。

然而，往往根据已有的采集的监控信号很难直观地实现故障根要因素。

然而，往往根据已有的采集的监控信号很难直观地实现故障根源的定位，需要采用一些特殊的或者综合集成的故障诊断技术进行深入源的定位，需要采用一些特殊的或者综合集成的故障诊断技术进行深入的分析研究，并分析故障产生的原因。

的分析研究，并分析故障产生的原因。

31.1复杂过程控制系统现状分析复杂过程控制系统现状分析n例如，例如，20082008年春节前夕我国遭受的特大雪灾，造成南方电网故障年春节前夕我国遭受的特大雪灾，造成南方电网故障频发，部分省份大面积停电，直接经济损失达上千亿元。

造成这频发，部分省份大面积停电，直接经济损失达上千亿元。

造成这场电力系统灾难的原因固然复杂，而且其电力运行的容错机制和场电力系统灾难的原因固然复杂，而且其电力运行的容错机制和控制策略也确保了整体电力系统的稳定，但在局部地区电力中断，控制策略也确保了整体电力系统的稳定，但在局部地区电力中断，居民的基本生活用电无法保障，仍然是企业和用户难以接受的。

居民的基本生活用电无法保障，仍然是企业和用户难以接受的。

例如，对于某一个连续的复杂工业生产线，某一装置发生故障后，例如，对于某一个连续的复杂工业生产线，某一装置发生故障后，如不能及时采取措施，就可能影响整个生产线的平稳运行，甚至如不能及时采取措施，就可能影响整个生产线的平稳运行，甚至造成巨大的灾难。

因此工业也急切需求工业控制系统能够具有快造成巨大的灾难。

因此工业也急切需求工业控制系统能够具有快速故障检测、诊断与容错控制的能力。

速故障检测、诊断与容错控制的能力。

41.1复杂过程控制系统现状分析复杂过程控制系统现状分析n1.1.对象不确定性问题。

对象不确定性问题。

工业过程均存在各种干扰，且多数干扰既无法工业过程均存在各种干扰，且多数干扰既无法测量又无法消除。

控制系统理论研究涉及的数学模型仅是被控对象的测量又无法消除。

控制系统理论研究涉及的数学模型仅是被控对象的简单近似，忽略许多复杂的干扰和不确定性因素，建立的数学模型与简单近似，忽略许多复杂的干扰和不确定性因素，建立的数学模型与实际情况相差甚远，不仅很难取得好的控制效果，而且使得故障的漏实际情况相差甚远，不仅很难取得好的控制效果，而且使得故障的漏报和误报率大大增加。

报和误报率大大增加。

n2.2.对象的非线性特性。

对象的非线性特性。

严格地讲，所有工业过程都存在非线性。

对于严格地讲，所有工业过程都存在非线性。

对于非线性程度较弱的系统，在一定的范围内可以当作线性系统来处理，非线性程度较弱的系统，在一定的范围内可以当作线性系统来处理，对于非线性程度较强的系统，采用线性化的处理方法时常会产生很大对于非线性程度较强的系统，采用线性化的处理方法时常会产生很大的偏差，甚至会得出完全相反的结论。

目前线性系统的故障诊断与容的偏差，甚至会得出完全相反的结论。

目前线性系统的故障诊断与容错控制已基本成熟，但非线性系统的故障诊断与容错控制在工业应用错控制已基本成熟，但非线性系统的故障诊断与容错控制在工业应用方面远没有成熟。

方面远没有成熟。

51.1复杂过程控制系统现状分析复杂过程控制系统现状分析n3.3.对象的时滞性。

对象的时滞性。

在化工、炼油、造纸等工业生产过程中经常存在纯在化工、炼油、造纸等工业生产过程中经常存在纯滞后现象，如装置的长管道进料传输和带轮进料过程存在输入滞后、滞后现象，如装置的长管道进料传输和带轮进料过程存在输入滞后、化学反应过程本身是时滞对象，成分测量等检测环节也存在很大的滞化学反应过程本身是时滞对象，成分测量等检测环节也存在很大的滞后。

与无滞后的过程相比，存在滞后使系统的响应性能变差，控制难后。

与无滞后的过程相比，存在滞后使系统的响应性能变差，控制难度大大增加。

度大大增加。

n4.4.多变量和强耦合特性。

多变量和强耦合特性。

工业过程中，都包含了较多过程变量，而且工业过程中，都包含了较多过程变量，而且过程变量之间相互关联、相互耦合，任何一个变量的变化都可能会引过程变量之间相互关联、相互耦合，任何一个变量的变化都可能会引起其它所有变量发生变化，从而使工业流程错综复杂。

这就一方面增起其它所有变量发生变化，从而使工业流程错综复杂。

这就一方面增加了过程控制的困难程度和复杂程度，另一方面也是故障诊断过程所加了过程控制的困难程度和复杂程度，另一方面也是故障诊断过程所面临的一个难题。

面临的一个难题。

n5.5.“数据丰富，信息匾乏数据丰富，信息匾乏”的现象。

的现象。

随着随着DCSDCS和智能化仪表、现场总线和智能化仪表、现场总线技术在工业过程中的广泛应用，大量的过程数据被采集并存储下来，技术在工业过程中的广泛应用，大量的过程数据被采集并存储下来，以至出现了以至出现了“数据丰富，信息匾乏数据丰富，信息匾乏”的现象。

另一方面，随着计算机的现象。

另一方面，随着计算机技术和数据库技术的发展，为工业数据的分析提供了物质基础。

因此，技术和数据库技术的发展，为工业数据的分析提供了物质基础。

因此，基于数据驱动的故障检测与诊断技术已成为当前过程控制领域研究热基于数据驱动的故障检测与诊断技术已成为当前过程控制领域研究热点之一。

点之一。

61.1、什么是容错控制？

容错控制是系统对故障的容忍技术，指当系统中一个或多个关键部件发生故障时，系统能继续安全稳定运行的特性。

保证动态系统在发生故障时仍然可以稳定运行，并具有可以接受的性能指标。

1.2、容错控制的学科意义是什么？

1.2容错控制的概念容错控制的概念71.2容错控制的概念容错控制的概念n容错控制三个基本要素：

n1.考虑故障类型，即容错控制的对象；n2.对控制系统的性能要求（容错控制目标）n3.容错控制的方案（系统的结构和参数）81.3容错控制理论的国外发展概况容错控制理论的国外发展概况容错控制的思想以容错控制的思想以1971年年Niederlinski提出完整性提出完整性控制的新概念为标志控制的新概念为标志1986年，由美国国家科学基金委员会和年，由美国国家科学基金委员会和IEEE控制控制科学联合举办的控制界科学联合举办的控制界“高峰会议高峰会议”上，将容错控上，将容错控制列为控制科学面临的富有挑战性的研究课题之一。

制列为控制科学面临的富有挑战性的研究课题之一。

1993年，年，IFAC技术过程的故障诊断与安全性技术技术过程的故障诊断与安全性技术委员会成立并领导国际上容错控制的研究工作。

委员会成立并领导国际上容错控制的研究工作。

1993年，英国的年，英国的Patton教授撰写了第一篇容错控教授撰写了第一篇容错控制的综述文章制的综述文章。

9中国自动化学会成立了中国自动化学会成立了“技术过程的故障诊断与安全性专业技术过程的故障诊断与安全性专业委员会委员会”，领导国内容错控制领域的研究工作。

，领导国内容错控制领域的研究工作。

国内大量的专家教授在该领域作出了卓有成效的研究工作。

国内大量的专家教授在该领域作出了卓有成效的研究工作。

如：

南航的胡寿松教授如：

南航的胡寿松教授；清华的周东华教授、王桂增教授、；清华的周东华教授、王桂增教授、方崇智教授、王诗宓教授、葛建华教授方崇智教授、王诗宓教授、葛建华教授；上海海运学院的叶；上海海运学院的叶银忠教授银忠教授；北航的张洪钺教授；北航的张洪钺教授；浙大的孙优贤院士、褚健教；浙大的孙优贤院士、褚健教授、浙江工业大学的俞立教授授、浙江工业大学的俞立教授；东北大学的张嗣瀛院士、柴；东北大学的张嗣瀛院士、柴天佑院士、王福利教授。

此外，还有东华大学的蒋慰孙教授、天佑院士、王福利教授。

此外，还有东华大学的蒋慰孙教授、华中科技大学的方华京教授、华南理工大学的胥布工教授、华中科技大学的方华京教授、华南理工大学的胥布工教授、哈工大的段广仁教授、西工大的史忠科教授等。

哈工大的段广仁教授、西工大的史忠科教授等。

1.3容错控制理论的国内发展概况容错控制理论的国内发展概况10容错控制被动容错控制主动容错控制可靠镇定联立镇定完整性设计控制律重新调度控制律在线重构/重组设计自适应容错控制智能容错控制器的设计1.4、容错控制有哪些设计方法？

按照容错控制对象来分类按照容错控制设计方法来分类是否含有FDD控制器失效被控对象故障传感器、执行器故障112.2主动容错控制n主动容错控制是目前国内外研究的热点，它包含了故障检测故障检测/诊断、隔离和故障适应与容错控制诊断、隔