容错资源受限下分布式控制系统的协调容错方法研究

Many decentralized control systems with computers and industrial fieldbus in modern industrial manufacturing processes can be viewed as the typical distributed control systems consisting of some subsystems with autonomous operation. Compared with the conventional centralized control, the control resources' configuration of their subsystems is hard. Meanwhile, many existing FTC (fault tolerant control) techniques are developed based on the "centralized control" models. They probably cost too much of the resources because of the complexity of the FTC algorithms. This proposed project will introduce the collaborative control, distributed computing and multi-objective optimization into the collaborative and active FTC study under control resource constraints for such complex systems. The main topics of this project include: the analysis of the control resources restriction; collaborative FTC theory based on FTC rules scheduling; control re-allocation based collaborative FTC approaches; collaborative FTC methods based on the distributed computing and MPC(model predictive control) control; the application technologies of the above methods are also investigated for typical industrial practice. These results will provide the theoretic foundation for the FTC of advanced complex systems, and extend the development of FTC theory, and benefit its applications.

现代工业制造过程的规模、复杂度和自动化水平不断提高，其控制系统大多是由若干个独立运行的子系统，通过工业现场总线或通信网络构成的分布式控制系统。相比传统的集中式控制，它的各个子系统配置较低的控制资源。同时，传统容错控制方法多是基于"集中式控制回路"设计，用于上述分布式系统故障容错的设计时，往往计算复杂，消耗较多控制资源，难以适应这类复杂系统的实际需求。本项目针对上述分布式控制系统中子系统的典型故障，结合协调思想、分布式计算与多目标优化等理论，研究容错资源受限下的主动协调容错控制理论与方法。主要内容有：分布式系统控制资源的受限性分析；基于容错规则调度和控制输入重配置思想的协调容错控制方法；基于分布式计算的预测控制协调容错理论与方法；结合典型工程背景，研究上述协调容错方法的应用技术。以上研究成果对于丰富容错控制理论的内容，推动其不断适应实际工程需求，具有重要的科学意义和工程应用价值。

随着现代工业制造过程的规模、复杂度和自动化水平不断提高，工业控制系统大多是通过各种现场总线或通信网络构成的分布式控制系统。这类控制系统中子系统配置的控制资源较少，冗余性不足。利用传统容错控制理论设计容错控制器时，计算过程较复杂，消耗控制资源较多，难以适应这类系统的容错要求。本项目针对分布式控制系统中子系统常见的传感器/执行器等故障，根据协调控制思想、预测优化计算与多目标优化等理论，研究了几类典型系统具有容错资源约束下的协调容错控制理论与方法。取得的主要研究成果有：基于控制逻辑规则调度的协调容错控制技术；基于控制分配策略的协调容错控制方法；基于预测控制思想的协调容错理论与方法；基于子系统参考输入实时调节与协同控制理论的协调容错控制方法。此外，结合典型机电装备系统关键传动部件的微小故障诊断难题，给出了几种基于振动信号处理的早期微小故障诊断方法；研究了故障诊断与容错方法在工程分布式控制系统中的模拟仿真与应用技术。上述研究成果对于丰富容错控制理论的内容，推动其不断适应实际工程需求，具有重要的科学意义和工程应用价值。