而計算機控制技術(shù)、人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，使得容錯控制技術(shù)在實際工程中應(yīng)用的可能性變得越來越大。

 

一、容錯

 

提高系統(tǒng)的可靠性一般有兩種辦法：

 

1、采用縝密的設(shè)計和質(zhì)量控制方法來盡量減少故障出現(xiàn)的概率。

 

2、以冗余資源為代價來換取可靠性。

 

利用前一種方法來提高系統(tǒng)的可靠性是有限的，要想進一步的提高必須采用容錯技術(shù)。

 

容錯控制技術(shù)在國外發(fā)展的比較早，是由馮·諾依曼提出的。隨著八十年代微型計算機的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，容錯技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展，容錯技術(shù)被應(yīng)用到各個環(huán)境中。我國的容錯技術(shù)現(xiàn)在發(fā)展的也很迅速，一些重要的工作場合如航天、電廠等現(xiàn)在都采用了容錯技術(shù)。

 

所謂容錯：就是容許錯誤，是指設(shè)備的一個或多個關(guān)鍵部分發(fā)生故障時，能夠自動地進行檢測與診斷，并采取相應(yīng)措施，保證設(shè)備維持其規(guī)定功能，或犧牲性能來保證設(shè)備在可接受范圍內(nèi)繼續(xù)工作。

 

錯誤一般分為兩類：

 

第一類是先天性的固有錯，如元器件生產(chǎn)過程中造成的錯、線路與程序在設(shè)計過程中產(chǎn)生的錯。這一類的錯誤需對其拆除、更換或修正，是不能容忍的。

 

第二類的錯后天性的錯，它是由于設(shè)備在運行中產(chǎn)生了缺陷所導(dǎo)致的故障。這種故障有瞬時性、間歇性和永久性的區(qū)別。

 

容錯技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性的重要途徑。常采用的容錯方法有硬件容錯、軟件容錯、信息容錯和時間容錯。

 

1、什么叫“智能容錯”

 

智能容錯IFT(Intelligent Fault-Tolerance)：就是設(shè)備在運行過程中一個或多個關(guān)鍵部件發(fā)生故障或即將發(fā)生故障之前，利用人工智能理論和方法，通過采取有效措施，對故障自動進行補償、抑制、消除、修復(fù)，以保證設(shè)備繼續(xù)安全、高效、可靠運行，或以犧牲性能損失為代價，保證設(shè)備在規(guī)定的時間內(nèi)完成其預(yù)定功能。

 

智能容錯技術(shù)的構(gòu)成方法可以采用以下三步來實現(xiàn)：

 

（1）建立系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)；

（2）設(shè)計智能容錯處理機構(gòu)；

（3）根據(jù)設(shè)計目標(biāo)對所作的設(shè)計進行評價，如果滿足目標(biāo)則設(shè)計成功，否則將返回第二步進行重新設(shè)計，直到滿足設(shè)計目標(biāo)要求。

 

硬件智能容錯 HIFT (Hardware Intelligent Fault Tolerant) 主要采用硬件冗余技術(shù)。其基本思想是對設(shè)備的關(guān)鍵部件配備多重相似或相同部件，一旦檢測和診斷出設(shè)備發(fā)生故障就可以立刻切換到備份部件，以達(dá)到故障容錯的目的。圖 1 所示為二冗余結(jié)構(gòu)原理圖：

 

圖 1 二冗余結(jié)構(gòu)原理圖

 

2、硬件智能容錯方式的分類

 

硬件智能容錯按其工作方式可以分為：靜態(tài)冗余、動態(tài)冗余和混合冗余。

 

靜態(tài)冗余容錯是通過表決和比較屏蔽系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障，如圖2所示：

 

圖 2 三模冗余（靜態(tài)冗余）TMR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

 

靜態(tài)冗余容錯的主要特點是：

 

（1）由于故障被屏蔽，所以不需要識別故障；

（2）容易與無冗余系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)換；

（3）所有模件都消耗能量。

 

動態(tài)冗余的主要方式是多重模塊相繼運行來維持設(shè)備正常工作。當(dāng)檢測到工作模塊出現(xiàn)故障時，一個備用模塊立即接替故障模塊并投入工作。

 

動態(tài)冗余容錯控制的主要特點是：

 

（1）僅有一個模件消耗能量；

（2）模件數(shù)目可隨任務(wù)而改變，不會影響系統(tǒng)工作；

（3）轉(zhuǎn)換裝置和檢測裝置中任一故障都會導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

 

圖 3 動態(tài)冗余容錯控制結(jié)構(gòu)圖

 

混合冗余兼動態(tài)冗余和靜態(tài)冗余之所長，通常用H（n,k）來表示，如圖4所示。圖中的V為表決器，n表示模塊的總數(shù)，k代表以表決方式實現(xiàn)靜態(tài)冗余的模塊數(shù)，而其余N-K個模塊則作為表決系統(tǒng)中模塊的備份。當(dāng)參與表決的k個模塊中（通常k>=3）有一個模塊出現(xiàn)故障時，備份就替代該模塊參與表決，維持靜態(tài)冗余系統(tǒng)的完整。當(dāng)所有備份都被替換完后，系統(tǒng)就成為一般的表決系統(tǒng)。

 

如在硬件構(gòu)成的邏輯系統(tǒng)中表決器是由開關(guān)電路實現(xiàn)的，而軟件中表決需要通過軟件斷言SA(Software Assertions)來實現(xiàn)。軟件斷言就是當(dāng)軟件在宿主系統(tǒng)中運行時，對其進程或功能的正確與否做出判斷的條件。

 

圖 4  H(n,k)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

3、智能容錯的故障處理方式

 

智能容錯技術(shù)是一種外延廣博的綜合性技術(shù)。為了消除故障的影響，可以采用以下處理方式來實現(xiàn)：

 

（1）故障檢測

 

通過故障檢測可以迅速準(zhǔn)確地對故障進行定位。故障檢測是容錯的基礎(chǔ)。故障檢測方式可分兩種：脫機檢測，即進行檢測時系統(tǒng)不能做有用的工作，聯(lián)機檢測，即檢測與系統(tǒng)工作同步進行，它具有實時檢測的能力。

 

（2）故障定位

 

在給定的故障條件下，找出故障原因，確定發(fā)生故障元件的具體位置。定位的詳細(xì)程度視具體問題而定，一般定位到進行系統(tǒng)重構(gòu)所需的最小單元。

 

（3）故障屏蔽

 

故障屏蔽能夠把故障效應(yīng)掩蓋起來，以防止故障對輸出產(chǎn)生影響。故障屏蔽只能容忍故障，而不能給出故障警告，當(dāng)冗余資源耗盡時，將使設(shè)備產(chǎn)生錯誤輸出。

 

常用的故障屏蔽方法有多模表決冗余和屏蔽邏輯兩種，多模表決冗余就是在設(shè)備的多個裝置中，只要至少有一個裝置正常工作，系統(tǒng)就能完成其功能；屏蔽邏輯主要用于門級電路的故障屏蔽，它能有效地限制邏輯線路門輸出的臨界故障與亞臨界故障。

 

（4）故障限制

 

故障限制就是規(guī)定故障的傳播范圍，把故障效應(yīng)的傳播限制到某一區(qū)域內(nèi)。故障限制可以用軟件和硬件來實現(xiàn)。

 

（5）故障隔離

 

故障隔離就是將故障隔離起來以防其進一步擴散和對設(shè)備產(chǎn)生影響。

 

（6）故障修復(fù)

 

當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障經(jīng)檢測和定位后，就可采取更換、修理、自修復(fù)等方式使設(shè)備復(fù)原。

 

（7）系統(tǒng)重組

 

當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，通過任務(wù)的重新分配或內(nèi)部器件的重新組合，以切除或替換故障部件。

 

（8）系統(tǒng)重構(gòu)

 

重構(gòu)就是把修復(fù)的模件重新加入到系統(tǒng)中去。

 

（9）系統(tǒng)恢復(fù)

 

系統(tǒng)恢復(fù)就是經(jīng)過屏蔽、重組等，使故障恢復(fù)到故障前的工作狀態(tài)，不丟失或少丟失信息，并保證下一步的正常運行，系統(tǒng)恢復(fù)通常用軟件實現(xiàn)。

 

4、智能容錯的實現(xiàn)方法

 

智能容錯的實現(xiàn)方法分為: （1）故障信號檢測；（2）故障特征識別；（3）故障狀態(tài)預(yù)測；（4）故障維修決策；（5）故障容錯控制。

故障容錯的目的在于針對不同的故障源和故障特征，采取相應(yīng)的容錯處理措施，對故障進行補償、消除或自動修復(fù)，以保證設(shè)備繼續(xù)安全可靠運行，或以犧牲性能損失為代價，保證設(shè)備在規(guī)定時間內(nèi)完成其基本功能。結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

 

圖 5 故障容錯控制過程框圖

 

二、冗余技術(shù)

 

所謂冗余（Redundancy）就是多余資源，冗余技術(shù)可供用來處理故障，冗余技術(shù)分為：

 

（1）硬件冗余法：

 

硬件冗余HR（Hardware Redundancy）就是依靠附加硬件的冗余性和互補性來實現(xiàn)故障容錯，附加硬件通常采用儲備形式，當(dāng)設(shè)備某個或某些關(guān)鍵部件發(fā)生故障后，可以用備份硬件替代故障部件，以削弱或消除故障的影響。

 

（2）軟件冗余法：

 

軟件冗余SR(Software Redundancy)可以通過增加軟件功能來實現(xiàn)，其中包括修改容錯控制策略、重新配置系統(tǒng)軟件、有效地降低設(shè)備的運行速度、多模塊并行診斷決策等。

 

冗余附加技術(shù)指為實現(xiàn)上述榮譽另外所需的資源和技術(shù)，包括程序、指令、數(shù)據(jù)以及存放和調(diào)動他們的空間和通道。他們和硬件冗余中冗余備份一樣，在沒有容錯要求的系統(tǒng)中是不需要的，而在容錯系統(tǒng)中卻是必不可少的。以屏蔽硬件故障為目的容錯技術(shù)中，冗余附加技術(shù)包括：

 

1）關(guān)鍵程序和數(shù)據(jù)的榮譽存儲和調(diào)用；

2）進行檢測、表決、切換、重構(gòu)、糾錯、復(fù)算的實現(xiàn)。在屏蔽軟件故障的容錯系統(tǒng)中，冗余附加件的構(gòu)成不同。
 

冗余附加件包括：
 

1）獨立設(shè)計的相同功能冗余備份程序的存儲及調(diào)用；

2）實現(xiàn)糾錯誤檢測及恢復(fù)的程序；

3）為實現(xiàn)容錯軟件所需固化了的程序。

 

冗余、容錯技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀伴隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，硬件可靠性大大提高而價格卻大幅度降低，使采用各種容錯技術(shù)在經(jīng)濟上更易接受。

 

容錯技術(shù)應(yīng)用范圍擴展于銀行事務(wù)處理及各種實時控制系統(tǒng)，甚至許多通用計算機系統(tǒng)也采用了容錯技術(shù)。在七八十年代，容錯技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，例如:1975年的美國貝爾實驗室的3A號ESS處理系統(tǒng)和美國 TANDEM16容錯事務(wù)處理系統(tǒng)：1976年的美國AMDAHL470V/6 容錯通用計算機和 1978 年容錯空間計算機 FTSC；1979年BIM推出容錯的4300通用計算機系列；1980年容錯多處理機 FTMP 及軟件實現(xiàn)的容錯計算機sift研制成功等等。

 

隨著電子交易的日益廣泛，出現(xiàn)了商用容錯計算機市場和以分布式為體系的容錯計算機系統(tǒng)。容錯的VLSI技術(shù)和人工智能在容錯技術(shù)上的應(yīng)用——計算機故障診斷專家系統(tǒng)，給冗余、容錯技術(shù)的發(fā)展增添了新的活力。

 

冗余、容錯技術(shù)理論的研究，也是相當(dāng)活躍的。1952 年，馮·諾依曼作了一系列關(guān)于用重復(fù)邏輯模塊改善系統(tǒng)可靠性的報告；1956 年，他發(fā)表了論文《概率邏輯及用不可靠元件設(shè)計可靠的結(jié)構(gòu)》。

 

1971 年以來，IEEE 計算機學(xué)會容錯技術(shù)委員會每年召開一次國際容錯計算學(xué)術(shù)會議；1987 年中國計算機學(xué)會成立了容錯計算專業(yè)委員會等等?；谌蒎e控制(TFC)基本思想，F(xiàn)TC 的研究主要有被動容錯控制(Passives)和主動容錯控制(Activate)兩種途徑。

 

主動容錯控制是在控制系統(tǒng)故障檢測與 FDD(Fau1t Detection and Diagnose)的基礎(chǔ)上，當(dāng) FDD 環(huán)節(jié)檢測出系統(tǒng)故障后，重新調(diào)整控制器參數(shù)，甚至改變控制器結(jié)構(gòu)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，盡量恢復(fù)系統(tǒng)故障前的性能。被動容錯控制是設(shè)計對故障具有容忍能力的強魯棒控制器，被動容錯控制的研究可以充分利用魯棒控制技術(shù)的研究成果，且不受 FDD 發(fā)展水平的限制，所以對于被動容錯控制的研究取得的成果較多。

 

1、主動容錯控制

 

主動容錯控制一般需要兩個基本步驟：控制系統(tǒng)的故障檢測、診斷與隔離及控制系統(tǒng)重構(gòu)。

 

控制系統(tǒng)故障檢測、診斷與隔離是在現(xiàn)代控制理論、可靠性理論、數(shù)理統(tǒng)計、信號處理技術(shù)、模式識別技術(shù)，以及人工智能和計算機控制技術(shù)等技術(shù)基礎(chǔ)上的一門應(yīng)用型的邊緣學(xué)科，F(xiàn)DD 技術(shù)是容錯控制重要的支撐技術(shù)之一。

 

由于控制系統(tǒng) FDD 問題本身的復(fù)雜性和相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)水平的限制，雖然人們對它的研究己達(dá)到了一定的水平，但至今仍沒有解決這一問題特別有效的方法。

 

目前的控制系統(tǒng)FDD研究主要是沿著基于模型和基于知識兩種途徑展開。

 

控制系統(tǒng)重構(gòu)的方法主要有：控制律重新調(diào)度、控制器重構(gòu)設(shè)計和模型跟蹤重組控制，控制律重新調(diào)度的基本思想是，在離線的情況下計算出各種故障條件下所需的控制律增益參數(shù)，存儲在計算機中，系統(tǒng)根據(jù) FDD 單元所給出的結(jié)果，選擇合適增益參數(shù)，實現(xiàn)對各種故障的容錯控制；控制器重構(gòu)設(shè)計是根據(jù)故障系統(tǒng)的新環(huán)境，重新設(shè)置系統(tǒng)的工作點，并給出可改善系統(tǒng)性能的新控制器，現(xiàn)有的控制器重構(gòu)方法主要有基于直接狀態(tài)反饋或輸出反饋的方法，以及基于動態(tài)補償器的設(shè)計方法等;模型跟蹤重組控制的基本原理是采用模型參考自適應(yīng)控制的思想，使得被控過程的輸出自適應(yīng)地跟蹤參考模型的輸出，因此這種容錯控制不需要FDD單元。

 

在主動容錯控制方法中，能夠較好地將FDD環(huán)節(jié)與系統(tǒng)重構(gòu)相結(jié)合的是基于人工智能的容錯控制方法。在容錯控制中所運用的人工智能方法主要是人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) ANN(Artifictial Neural Network)，利用 ANN 對非線性特性的任意逼近能力和ANN所具有的從樣本中學(xué)習(xí)、歸納和推理的能力，通過訓(xùn)練，使ANN能準(zhǔn)確地估計出故障的大小，在此基礎(chǔ)上再通過故障補償來實現(xiàn)主動容錯控制。

 

被動容錯控制在目前的容錯控制研究中，因為不受控制系統(tǒng) DFD 環(huán)節(jié)的限制，被動容錯控制相對于主動容錯控制要更容易實現(xiàn)，已有的可以實現(xiàn)被動容錯控制的主要方法有:

 

完整性控制器設(shè)計、同時鎮(zhèn)定和可靠鎮(zhèn)定。

 

完整性控制(Intgearl Contron)的概念由Niederlinski 在 1971年提出，完整性控制是研究最早的一種容錯控制技術(shù)，因為控制系統(tǒng)中傳感器和執(zhí)行器是最容易發(fā)生故障的部件，所以完整性控制具有很高的應(yīng)用價值，在控制理論中，稱多變量系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時仍能保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制器為完整性控制器，完整性控制器設(shè)計是多變量系統(tǒng)中特有的問題；

 

多模型設(shè)計方法又稱同時鎮(zhèn)定問題，自從Ackermann，Sakes 和Vidyasagar 等人提出來以后，己經(jīng)成為容錯控制的一個重要研究方向，同時穩(wěn)定容錯控制的設(shè)計方法是力求尋找一個公共的狀態(tài)反饋控制器，使之能夠同時穩(wěn)定盡可能多的故障情況下的系統(tǒng)模型，同時兼顧到系統(tǒng)的動、靜態(tài)品質(zhì)特性的要求；使用多個補償器進行可靠鎮(zhèn)定的概念是由 Silage 于1980年最早提出，可靠鎮(zhèn)定實際上是關(guān)于控制器的容錯問題。

 

與被動容錯控制相比較，主動容錯控制具有更多的優(yōu)點。從理論上講，被動容錯控制是故障情況下的強魯棒控制，主動容錯控制是故障情況下的強自適應(yīng)控制。被動容錯控制即使在系統(tǒng)正常的情況下控制率也要滿足故障條件下的要求，這在系統(tǒng)正常時顯然是一種過高的要求，設(shè)計未免過于保守，必然要以犧牲性能指標(biāo)為代價。另外，在預(yù)想故障數(shù)目較多時，被動容錯控制問題可能根本沒有解，所以被動容錯控制有較大的局限性。

 

基于控制系統(tǒng)FDD的主動容錯控制實質(zhì)是一種強自適應(yīng)控制，它通過實時地對系統(tǒng)進行故障檢測與診斷，當(dāng)檢測出系統(tǒng)故障后，根據(jù)不同的故障采取相應(yīng)的措施，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和維持一定的性能指標(biāo)。主動容錯控制所用的主要方法是控制重構(gòu)和故障補償，前者需要根據(jù)故障重新設(shè)計控制器，后者則是利用故障的信息確定一個控制補償量，目的都是力圖使故障后的系統(tǒng)盡量接近甚至等價于原系統(tǒng)。

 

對于演變速度較慢的所謂軟故障，多模自適應(yīng)方法比較適合，但多模自適應(yīng)方法中存在較多的算法上的問題，限制了這種方法的使用。

 

2、容錯控制研究中需要解決的主要問題

 

盡管控制系統(tǒng) FDD 和 TFC 技術(shù)的研究在理論上己取得了較為豐富的成果，但距離實際工程應(yīng)用的要求還有相當(dāng)大的差距，理論上也還有許多問題有待人們?nèi)パ芯亢吞剿鳌?/div>