吴超：安全科学方法系列79：系统控制模式及其应用

本节介绍一些典型的系统控制模式。如何将上述的抽象控制系统结合到具体的安全控制系统之中，这仍然是一个应用研究的课题。

1. 自适应控制

无论从理论研究还是从实际应用的角度看，自适应控制大致可分为两大类，即采用模型跟踪方式的模型参考自适应系统和系统辨识与最优控制相结合的自适应系统。

（1）模型参考自适应控制系统。抽象的系统框图如图1所示。 

图1 模型参考自适应系统控制抽象框图 

模型参考自适应控制系统一般由下面几部分组成：参考模型、被控对象、常规反馈控制器和自适应控制回路（自适应律）。这类自适应控制系统实际上是在原来反馈控制系统的基础上再附加一个参考模型和一个控制器参数的自动调节回路。参考模型的输出直接表达对系统的性能要求。自适应律调节控制器参数，使被控过程的输出尽快跟踪用参考模型表达的期望输出。设计这类自适应控制系统的核心问题是如何综合自适应律。关于自适应律的设计主要有两类方法，一种称为参数最优化的方法，即利用最优化方法搜索到控制器的参数，使某个预定的性能指标达到最小；另一种设计方法是基于稳定性理论的设计方法，其基本思想是保证控制器参数的自适应调整过程是稳定的，然后再使这个调整过程尽可能收敛得快一些。自适应控制系统一般是本质非线性的。

（2）系统辨识与最优控制结合的自适应系统。这类自适应控制系统的抽象框图如图2所示。它一般由系统辨识、被控对象、最优计算和调节器几部分组成。

图2 具有在线辨识的自适应控制系统抽象框图 

这类自适应系统的一个主要特点是具有被控对象数学模型的在线辨识环节。根据系统和运行数据，首先对被控对象进行在线辨识，然后再根据辨识得来的模型参数和预先指定的性能指标在线地综合控制作用。通常，这类系统在设计辨识算法和控制算法时，考虑了随机扰动和测量噪声的影响，所以应该属于随机自适应控制系统这一类，这类算法最为关键的问题是如何能实时地正确辨识对象数学模型的参数。首先要确保输入必须是持续激励的，即能不断地将对象固有特性激发出来。其次是要确保被辨识的参数能收敛到真值。

2．预测控制

预测控制也称为基于模型的控制，是20世纪70年代末兴起的一类控制方法。一般认为，预测模型、滚动优化、反馈校正是预测控制的三个本质特征。以下就这三个方面所包含的方法原理加以说明。

（1）预测模型。在预测控制算法中，需要一个描述对象动态行为的基础模型，称为预测模型。预测控制称为基于模型的控制，其意义即在于此。预测模型应具有预测的功能，即能够根据系统的历史信息和选定的未来输入预测出未来的输出值。作为产生于工业过程的某些早期预测控制算法，为了克服建模的困难，可选择实际工业过程中较易测量的脉冲或阶跃响应作为预测模型，但不能认为预测模型仅限于这种形式。从方法论的角度讲，只要是具有预测功能的信息集合，不论其有什么样的表现形式，均可作为预测模型。这里强调的只是模型的功能，而不是其结构形式。因此，预测控制打破了传统控制中对模型结构的严格要求，更着眼于在信息的基础上根据功能要求按最方便的途径建立模型。

（2）滚动优化。预测控制是一种优化控制算法，但它与通常的离散最优控制算法不同，不是采用一个不变的全局优化目标，而是采用滚动式的有限时域优化策略。这意味着优化过程不是一次离线进行，而是反复在线进行的。这种有限优化目标的局部性，使其在理想的情况下只能得到局部的次优解，但其滚动实施，却能顾及由于模型失配、时变、干扰等引起的不确定性，及时进行弥补，始终把新的优化建立在实际的基础上，使控制保持实际上的最优。这种启发式的滚动优化策略，兼顾了对未来充分长时间内的理想优化和实际存在的不确定性的影响，是最优控制对于对象的环境不确定性的妥协。在复杂的工业环境中，要比建立在理想条件下的最优控制更加实际和有效。

（3）反馈校正。所有的预测控制算法在进行滚动优化时，都强调优化的基点应与系统实际一致。这意味着在控制的每一步，都要检测实际输出信息，并通过引入误差预测模型或模型辨识对未来做出较准确的预测。这种反馈较正的必要性在于：作为基础的预测模型，只是对象动态特性的粗略描述，出于实际系统中存在的非线性、时变、模型失配、干扰等因素，基于不变模型的预测不可能和实际完全相同，这就需用附加的预测手段补充预测的不足，或者对基础模型进行在线修正。滚动优化只有建立在反馈校正的基础上，才能体现其优越性。这种利用实际信息对模型预测的修正，是克服系统中所存在的不确定性的有效手段。

综上所述，预测控制的三个基本特征是一般控制论中模型、控制、反馈概念的具体体现。预测控制的预测和优化模式是对传统最优控制的修正，它使模型简化，并考虑了不确定性及其复杂性的影响，因而更加贴近复杂系统控制的实际要求。

3．鲁棒控制

鲁棒性（robustness）是稳健性或稳定性的意思。鲁棒性一般用来描述某个东西的稳定性，就是说在遇到某种干扰时，这个东西的性质能够比较稳定。系统的安全性受很多不确定性因素的影响。这些不确定性的存在，是一切控制对象的共性。克服不确定性进行有效的控制，是控制领域的研究热点之一。大致地说，这一领域的主要研究方向：一是自适应控制，二是鲁棒控制。目前，有关鲁棒控制的设计方法很多，一般来讲，凡具有鲁棒性的控制系统均可称为鲁棒控制器，而鲁棒性通常是指数学模型与实际过程出现失配时，能使系统性保持在允许范围内的能力。据此，不同的控制件能（如稳定性、最优性等）都有自己相应的鲁棒性，对稳定性称为鲁棒稳定性，对最优性称为鲁棒性能等。鲁棒控制通常是一种以性能指标的衰减来换取鲁棒性的设计方法。控制器的鲁棒性，通常是指当数学模型与实际对象出现失配时，控制器能使系统性能保持在允许范围内的能力。不同的控制性能，有不同的鲁棒性与之对应。鲁棒控制是一种在控制性能和鲁棒性之间进行谨慎而合理的折衷的设计方法。

   4. 容错控制

容错原是指系统虽然遭受到内部环节的局部故障或失效，但仍可继续正常运行的一种特性。人们虽然无法保证构成系统的各个环节的绝对可靠性，但若把容错的概念引入到控制系统，从而构成容错控制系统，使系统中的各个故障因素对控制性能的影响显著削弱，那就意味着间接地提高了控制系统的可靠性。尤其是当构成控制系统的各个部件的可靠性知时，容错更是在系统设计阶段保证系统可靠性的主要途径。控制系统是一类由被控对象、控制器、传感器、执行器等部件组成的复杂系统。

容错控制策略主要有冗余策略。实现冗余技术的基本方法为重复线路、备份线路和复合方法。重复线路是指用多个相同品种和规格的元素或组件并联起来，当作一个元件或组件来使用，只要有一个不出故障，系统就能够正常工作。这一组相向的组件在输入端和输出端都并联起来。也就是说在并联工作时，每一个组件的可靠性概率是相互独立的。备份线路与并联线路的差别是参加备份的组件并不接入系统，只存在处于工作状态的组件发生故障后，才把输入和输出端转接到备份组件上来，同时切断故障组件的输入和输出端。为了实现这种转接，系统应该具有自动发现故障的能力，同时还应有自动转接设备。重复线路和备份线路是硬件冗余技术中最常用到的基本线路；复合线路是包含几个与非门的随机重复线路的串联，该方法需付出大的硬设备代价来提高可靠性。无论哪一种冗余技术，都把自修复和容忍故障的能力引入到系统设计中，就可以达到系统高可靠性的目的。

基于功能冗余的容错控制的最大特点是：控制系统中所有的部件在正常时都处于工作状态，为维护控制系统的性能做出贡献，当某些部分失效时，其完好部分甚至全部地承担起故障部件所丧失的控制作用，以维持控制系统的性能在允许的范围内。显然，系统中部件的功能冗余程度越高，它的容错能力也就越强。这里容错控制被定义为：当控制系统中的某些部件出现故障时，尽可能地利用功能冗余，通过控制手段使故障系统继续保持规定的性能或不丧失最基本的功能，如稳定性等。基于功能冗余的容错控制，不引入任何部件的备份，而是在常规的系统结构下，通过建立控制系统的动态数学模型，得到诸部件间的功能冗余，进而通过控制器的设计实现对局部故障的容错，它为设计经济和高可靠性的容错控制系统提供了一条崭新的途径。基于功能冗余的容错控制方法可分为两类：第一类是鲁棒控制器的设计，即预先针对一定的故障模式，设计一个固定的控制器使得控制系统对可能出现的故障具有容错性；第二类是故障检测、分离和补偿，它是在常规控制系统的基础上设置故障检测机构，实时监视控制系统的运行及故障情况，并依据故障信息及时改变系统的结构及控制作用。