前言

随着科技的发展和人类各方面需求的不断提高,人们对控制系统运行的效率、精度、时间和强度要求越来越高。为了实现系统运行的高效性和多应用性,系统结构的设计越来越精妙和细致。而这带来的是复杂且繁多的系统元件组合,执行器、传感器和连接部件在空间上大量分布和应用。为了保证系统在长时间高强度运行下的精度和安全可靠性,容错控制（Fault-tolerantControl,FTC）策略的构造就成为复杂工程系统设计的重要部分。

容错控制系统的特点表现在当系统执行器、传感器、控制器、对象本身等系统各类组成元件发生故障时,系统的安全运行仍然得到保障并能保持满意性能。一方面,执行器和传感器作为系统运行驱动元件及信息获取和发送元件,故障的发生和解决已经得到人们的极大关注；另一方面,随着工业制造的复杂化和生产目标的多元化,各个子系统通过网络或关联链接互相传递信息,对关联链接安全可靠性的研究也随之进入容错控制领域。容错控制系统的研究也面临着新的挑战。

从20世纪70年代系统完整性被提出以来,容错控制的发展已经历了四十多年。在其理论研究中,容错控制系统设计方法分为基于鲁棒控制技术的被动容错控制方法和基于故障补偿技术的主动容错控制方法。两者重点描述容错控制系统的全局特征和实时动态特征。现有的针对预判故障的传统被动容错设计方法在维数较低、故障源较少的简单控制系统中有较好的应用。其具体的应用实例可以在液位系统、倒立摆系统、质量-弹簧-阻尼系统,以及经过解耦降维的飞控系统上实现。但对于系统维数高且故障源较多的结构复杂系统,被动容错方法设计的容错控制策略较为保守,并不能保证系统在合理性能下运行,甚至会由于遗漏可能发生的故障模式而计算得到错误控制策略,导致系统发生故障时崩溃。更需要指出的是,被动容错控制方法仅仅对有限的故障模型,如中断、部分失效等有较好效果,它并不具备补偿严重故障（如偏移、卡死等故障）的能力。因此,不需要预判故障,而通过在线调节控制器参数或重构控制器的主动容错控制就成为人们重点研究的方法。

主动容错控制中基于故障检测与分离（FaultDetectionandIsolation, FDI）技术的控制方法和基于自适应技术的控制方法是研究最为广泛的方法。其中基于FDI方法的容错控制策略由于其高效性和较高的应用价值,近年来备受学者的青睐。它的设计依赖于故障诊断机构的诊断结果,其更为重要的意义在于设计故障诊断机构正确及时地诊断出故障信号。因此,在这类主动容错控制中,控制器的重组（Reconfiguration）或控制系统的重构（Reconstruction）需要FDI子系统提供精确及时的故障信息,从而构造有效的容错控制策略。但故障诊断机构的诊断会受到外部扰动、时滞、系统模型不精确性及其他环境因素的影响,给出不够精确甚至错误的故障诊断信号。显然,应用误诊的故障信号重组或重构容错策略控制系统会给系统带来灾难性的破坏。所以,另一类不需要精确故障信息的主动容错控制方法——自适应方法迅速成为学者们研究的热点。自适应技术可以获取未知参数每个时刻的估计信息,且控制增益可以响应参数的变化而实时变化。根据此特点,在故障未知的情况下,利用自适应技术估计故障信号代替故障诊断机构的诊断信号,再应用估计信号作为间接信号辅助构造容错控制策略。因此,与基于FDI技术的容错控制方法不同,基于自适应技术的容错控制策略不需要估计准确的故障信息,对容错控制系统也更能保证它的可靠性。

本书主要考虑基于自适应技术的主动容错控制方法。所涉及的系统元件故障包括执行器、传感器和关联链接的故障,而故障类型则有中断、部分失效、偏移和非参数化卡死执行器和传感器故障,以及信号衰减、恶化等网络关联链接故障。本书所包含的系统不仅有连续时不变线性系统和不确定系统,还有分布式控制系统、复杂网络和多智能体系统,所提出的方法也能推广到非线性系统、时滞系统和随机系统等。所提出的自适应方法对故障有极强的补偿能力和鲁棒性,但本书中的方法也不是完美的容错控制方法,也存在着一些缺点,如计算负担较重,系统得不到解析解,特别是对实际工业的应用还需要进一步改进。因此,作者希望本书能起到抛砖引玉的作用,给学者们提供一个别样的思维平台,并期待学者们能提出更好的、更有应用价值的容错控制方案,进一步提高系统运行的安全性、可靠性和运行效率。

本书的写作是在导师杨光红教授悉心教导下完成,杨老师以他渊博的知识和雄厚的科学研究功底给本书的形成创造了基本条件,在此对杨老师表示深深的感激和敬意。本书的出版得到了沈阳大学相关领导的重视和帮助,并获得控制理论与控制工程学科建设经费资助,在此十分感谢领导的关怀,为我们解决后顾之忧。本书部分章节是在常晓恒博士,朱训林博士的讨论下完成的,写作阶段更得到家人的理解和支持,在此对他们以及所有关心鼓励我的人表示感谢！

由于时间较为仓促,书中难免有不妥之处,希望各位读者见谅并不吝指正！

金小峥

2013年9月于沈阳