計算機控制系統(tǒng)容錯設(shè)計技術(shù)及應(yīng)用

前言

計算機控制系統(tǒng)容錯設(shè)計理論與技術(shù)是融合計算機理論與應(yīng)用、控制理論與技術(shù)、系統(tǒng)安全技術(shù)、系統(tǒng)工程與自動化技術(shù)、信息與信號處理技術(shù)，以及與控制對象相關(guān)學(xué)科知識的一門理論與應(yīng)用并重的綜合性技術(shù)，它是控制論、自動化技術(shù)和計算機應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的新興研究領(lǐng)域，已經(jīng)成為信息、控制和自動化學(xué)科的研究熱點之一。本書側(cè)重探討計算機控制系統(tǒng)的安全性問題，結(jié)合過程計算機控制的不同環(huán)節(jié)，在采樣數(shù)據(jù)潔化、參數(shù)容錯辨識、信號容錯重構(gòu)、狀態(tài)容錯重構(gòu)、PID算法容錯改進、巡回檢測策略容錯設(shè)計、最優(yōu)控制策略設(shè)計，以及基于冗余的計算機控制系統(tǒng)容錯設(shè)計方面，進行深入分析研究，取得了一系列有重要理論意義和工程應(yīng)用價值的技術(shù)研究成果。全書由11章構(gòu)成：第1章綜述了計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程、典型形式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成、設(shè)計方法，并對計算機控制系統(tǒng)可靠性、安全性和容錯能力等系統(tǒng)設(shè)計的重要特性進行了簡要介紹；第2章作為本書后續(xù)章節(jié)論述的基礎(chǔ)，簡要闡述被控過程多面向建模、模型轉(zhuǎn)換，以及模型故障與故障模型表示的數(shù)學(xué)方法和分析工具；第3章以線性回歸模型和受控自回歸模型為主要對象，建立了模型參數(shù)Minmax穩(wěn)健估計和有界影響估計等多組辨識算法；第4章圍繞計算機控制系統(tǒng)采樣和A／D環(huán)節(jié)，分析和比較了幾種常用典型數(shù)值濾波算法的計算特性，構(gòu)造了具有良好容錯能力的兩組雙重中值容錯濾波算法，通過仿真計算驗證了新算法的有效性；第5章以計算機控制系統(tǒng)的D／A環(huán)節(jié)為研究對象，建立了離散時間信號連續(xù)化的三組容錯重構(gòu)算法；第6章以計算機控制系統(tǒng)的被控對象狀態(tài)變化為研究對象，建立了M型濾波和有界影響濾波等狀態(tài)容錯重構(gòu)算法，證明了上述算法具有良好容錯能力、易實現(xiàn)性和統(tǒng)計性能；第7～9章分別對巡回檢測控制、PID控制和LQG控制等三類具體對象和控制策略，研究和建立了相應(yīng)的容錯控制策略與容錯控制算法；第10章在綜合國際國內(nèi)相關(guān)研究進展的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度，簡要介紹了作為容錯控制核心技術(shù)的冗余及其典型形式，并以冗余設(shè)計為基礎(chǔ)，系統(tǒng)歸納了基于冗余的計算機控制系統(tǒng)容錯設(shè)計的八大類結(jié)構(gòu)形式；第11章作為全書的收篇，以航天測控工程為對象，給出了容錯技術(shù)在航天器姿態(tài)控制中的應(yīng)用。

內(nèi)容概要

對于計算機控制系統(tǒng)，人們總是沿著如下相互關(guān)聯(lián)又彼此有差異的兩個方向進行著不懈探索：一是力求系統(tǒng)功能的最優(yōu)化和智能化，二是力求系統(tǒng)性能的可靠與安全。對于最優(yōu)化和智能化，已有廣泛深入的研究并有大量研究成果見諸文獻；而關(guān)于可靠性與安全性(特別是安全性)的研究，尤其是系統(tǒng)安全設(shè)計技術(shù)的研究，則是相對薄弱的環(huán)節(jié)。為此，本書側(cè)重探討安全可靠的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。    全書共由11章構(gòu)成。核心思想是采用容錯處理技術(shù)于計算機控制系統(tǒng)安全設(shè)計的不同環(huán)節(jié)，主要內(nèi)容包括：過程故障與故障過程的模型表示、過程參數(shù)的容錯辨識、采樣信號的檢錯糾錯與容錯濾波、信號容錯重構(gòu)、系統(tǒng)狀態(tài)容錯重構(gòu)、巡回檢測系統(tǒng)與PID控制系統(tǒng)的容錯設(shè)計、最優(yōu)控制策略容錯設(shè)計和基于冗余的容錯控制系統(tǒng)等方面。文中構(gòu)建和實現(xiàn)了一系列新的方法和算法，并通過理論分析和仿真計算等多種途徑驗證了本書算法的有效性。    本書的主要讀者對象為高校控制理論、控制工程、計算機技術(shù)應(yīng)用、信息處理等相關(guān)專業(yè)的本科生、研究生和教學(xué)科研人員，以及從事控制系統(tǒng)總體規(guī)劃和應(yīng)用開發(fā)的工程技術(shù)人員。

書籍目錄

前言第1章  計算機控制系統(tǒng)概論  1．1  模擬電路控制與計算機控制    1．1．1  模擬電路控制過程與控制系統(tǒng)    1．1．2  計算機控制系統(tǒng)    1．1．3  計算機控制的技術(shù)優(yōu)勢  1．2  計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程  1．3  計算機控制系統(tǒng)的典型形式    1．3．1  操作指導(dǎo)式計算機控制系統(tǒng)    1．3．2  直接數(shù)字控制系統(tǒng)    1．3．3  計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)    1．3．4  集散型計算機控制系統(tǒng)    1．3．5  現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)    1．3．6  計算機遞階控制系統(tǒng)  1．4  計算機控制系統(tǒng)構(gòu)成的基本要素    1．4．1  硬件系統(tǒng)    1．4．2  軟件系統(tǒng)    1．4．3  通信鏈路  1．5  計算機控制系統(tǒng)設(shè)計方法論    1．5．1  控制系統(tǒng)與控制理論    1．5．2  控制系統(tǒng)設(shè)計的一般方法    1．5．3  人-機系統(tǒng)中計算機裝置的角色和作用  1．6  計算機控制系統(tǒng)的可靠性、安全性與容錯性    1．6．1  系統(tǒng)的可靠性    1．6．2  系統(tǒng)的安全性    1．6．3  系統(tǒng)的容錯性  1．7  本書主要研究內(nèi)容與結(jié)果第2章  計算機控制系統(tǒng)多面向建模  2．1  預(yù)備知識：Z-變換與L-變換    2．1．1  Z-變換    2．1．2  Z-反變換    2．1．3  L-變換    2．1．4  L-反變換  2．2  計算機控制系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換  2．3  面向被控對象的系統(tǒng)建模    2．3．1  輸入-輸出過程模型    2．3．2  動態(tài)測量系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型    2．3．3  輸入-輸出與狀態(tài)空間的模型轉(zhuǎn)換  2．4  面向計算機裝置的系統(tǒng)建模    2．4．1  輸入-輸出差分方程模型    2．4．2  離散時間狀態(tài)空間模型    2．4．3  線性定常系統(tǒng)傳遞函數(shù)與特征方程的不變性    2．4．4  連續(xù)時間系統(tǒng)的采樣離散化模型  2．5  帶隨機分量的計算機控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型    2．5．1  帶隨機分量的CAR與CARMA模型    2．5．2  帶隨機分量的狀態(tài)空間模型  2．6  過程故障與故障過程的數(shù)學(xué)建模    2．6．1  計算機控制系統(tǒng)故障分析    2．6．2  故障分量模型    2．6．3  帶故障過程的數(shù)學(xué)建模  2．7  小結(jié)第3章  過程參數(shù)的容錯辨識技術(shù)  3．1  系統(tǒng)辨識與系統(tǒng)容錯辨識概論  3．2  漸近二次偏改變靈敏度與Minmax估計    3．2．1  GLS估計族    3．2．2  漸近二次偏改變靈敏度    3．2．3  基于ASBS的Minmax估計    3．2．4  Minmax估計在CAR過程中的應(yīng)用  3．3  CAR過程的遞階容錯辨識    3．3．1  模型系數(shù)的遞階LS估計    3．3．2  誤差方差的遞階估計    3．3．3  CAR模型的自適應(yīng)定階與建模  3．4  受控自回歸模型系數(shù)的在線容錯辨識    3．4．1  線性模型參數(shù)的有界影響容錯辨識    3．4．2  受控自回歸模型系數(shù)的在線LS辨識    3．4．3  受控自回歸模型參數(shù)的在線容錯辨識  3．5  小結(jié)第4章  過程采樣與容錯濾波技術(shù)  4．1  數(shù)據(jù)采集與信號獲取    4．1．1  測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣    4．1．2  測控數(shù)據(jù)信號獲取    4．1．3  頻率混疊與前置濾波  4．2  幾種簡易容錯濾波算法    4．2．1  數(shù)字濾波簡介    4．2．2  幾種簡易數(shù)字濾波算法    4．2．3  不同濾波算法的比較分析    4．2．4  常用數(shù)值濾波算法的容錯改進    4．2．5  容錯改進效果的仿真分析  4．3  雙重中值容錯濾波器的設(shè)計與仿真    4．3．1  雙重中值容錯濾波算法設(shè)計    4．3．2  雙重中值容錯濾波的崩潰點分析    4．3．3  濾波算法去噪性能的仿真分析    4．3．4  雙重中值容錯濾波容錯能力的仿真分析  4．4  采樣信號的檢錯與糾錯    4．4．1  平穩(wěn)序列的檢錯與糾錯    4．4．2  非平穩(wěn)序列的檢錯與糾錯    4．4．3  門限參數(shù)的設(shè)定方法  4．5  小結(jié)第5章  離散時間信號容錯重構(gòu)算法  5．1  幾種典型重構(gòu)方法簡介    5．1．1  Shannon重構(gòu)    5．1．2  零階保持    5．1．3  一階保持    5．1．4  預(yù)測一階保持  5．2  二階無偏保持與二階無偏容錯保持    5．2．1  采樣時間序列的三點插值    5．2．2  一步預(yù)報與二階無偏保持    5．2．3  二階保持算法的容錯改進  5．3  容錯遞推預(yù)測與信號容錯重構(gòu)    5．3．1  模型系數(shù)遞推LS估計    5．3．2  模型系數(shù)的遞推容錯辨識    5．3．3  基于一步容錯遞推預(yù)測的二階容錯重構(gòu)  5．4  小結(jié)第6章  系統(tǒng)狀態(tài)的容錯重構(gòu)  6．1  采樣故障數(shù)據(jù)模型  6．2  狀態(tài)Kalman濾波的容錯能力分析    6．2．1  狀態(tài)Kalman濾波的抗野值能力分析    6．2．2  狀態(tài)Kalman濾波的抗模型擾動能力分析  6．3  狀態(tài)向量M_型濾波重構(gòu)算法    6．3．1  狀態(tài)M型濾波    6．3．2  狀態(tài)M型濾波的迭代算法    6．3．3  迭代算法收斂性定理的論證  6．4  狀態(tài)向量有界影響濾波    6．4．1  過失誤差對Kalman濾波的影響分析    6．4．2  含野值樣本序列的處理對策    6．4．3  最佳■(·)函數(shù)的選取    6．4．4  仿真計算  6．5  小結(jié)第7章  系統(tǒng)巡回檢測的容錯設(shè)計  7．1  巡回檢測系統(tǒng)的處理邏輯和局限性  7．2  設(shè)定值控制系統(tǒng)容錯巡回檢測算法    7．2．1  平穩(wěn)過程的滑動中值巡回檢測算法    7．2．2  平穩(wěn)過程的容錯均值巡回檢測算法  7．3  操作指導(dǎo)式控制系統(tǒng)循環(huán)容錯檢測算法    7．3．1  自適應(yīng)巡回檢測的基本思路    7．3．2  操作指導(dǎo)信號的模型逼近    7．3．3  操作指導(dǎo)信號的容錯濾波估計    7．3．4  操作指導(dǎo)式自適應(yīng)巡回容錯檢測算法  7．4  操作指導(dǎo)式控制系統(tǒng)容錯算法仿真分析  7．5  小結(jié)第8章  數(shù)字PID控制的容錯設(shè)計  8．1  模擬PID與數(shù)字PID    8．1．1  模擬PID控制    8．1．2  數(shù)字PID控制  8．2  增量型數(shù)字PID控制算法設(shè)計與整定    8．2．1  基于一階差分與矩形積分的增量型數(shù)值PID    8．2．2  基于一階差分與梯形積分的增量型數(shù)值PID    8．2．3  基于插值微分與梯形積分的增量型數(shù)值PID  8．3  數(shù)字PID控制算法的容錯設(shè)計    8．3．1  有效偏差PID算法    8．3．2  有限偏差PID算法  8．4  小結(jié)第9章  隨機系統(tǒng)的最優(yōu)容錯控制  9．1  最優(yōu)容錯控制設(shè)計概述  9．2  LQG控制與Kalman預(yù)報    9．2．1  線性系統(tǒng)LQG控制    9．2．2  狀態(tài)向量的Kalman預(yù)報  9．3  狀態(tài)容錯預(yù)報與過程容錯控制  9．4  小結(jié)第10章  系統(tǒng)冗余與容錯控制  10．1  計算機控制系統(tǒng)的冗余與容錯  10．2  冗余的典型形式和類別    10．2．1  直接冗余與硬件冗余    10．2．2  軟件冗余與解析冗余    10．2．3  數(shù)據(jù)冗余與信息冗余    10．2．4  時間冗余與通信鏈路冗余  10．3  基于冗余的主動容錯與被動容錯    10．3．1  被動容錯    10．3．2  主動容錯  10．4  幾種典型的冗余式容錯控制系統(tǒng)設(shè)計    10．4．1  基于硬件冗余與靜態(tài)冗余的容錯設(shè)計    10．4．2  基于功能冗余的容錯設(shè)計    10．4．3  基于自動檢測的容錯設(shè)計    10．4．4  基于自動切換的容錯設(shè)計    10．4．5  基于自動恢復(fù)的容錯設(shè)計    10．4．6  基于動態(tài)冗余的容錯設(shè)計    10．4．7  基于軟-硬件混合冗余的容錯設(shè)計    10．4．8  基于軟件N版本和塊復(fù)員的容錯設(shè)計  10．5  小結(jié)第11章  容錯技術(shù)在航天姿態(tài)控制中的應(yīng)用  11．1  問題描述  11．2  姿態(tài)控制問題的數(shù)學(xué)建模  11．3  基于有界影響辨識的姿態(tài)容錯估計    11．3．1  隨機誤差協(xié)方差陣的容錯估計    11．3．2  姿態(tài)角修正量和測姿固偏的最小二乘估計    11．3．3  姿態(tài)角修正量和測姿固偏的在線容錯估計    11．3．4  飛行器姿態(tài)角的容錯估計  11．4  基于容錯Kalman濾波的姿態(tài)容錯控制    11．4．1  狀態(tài)空間模型的建立    11．4．2  狀態(tài)向量的Kalman濾波算法    11．4．3  狀態(tài)向量的容錯Kalman濾波算法  11．5  小結(jié)參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：（2）欠靈（failure）：一般地，失靈是指故障的極端情形或嚴重故障所引起的后果。但是，并不是所有故障都會導(dǎo)致系統(tǒng)運行過程失靈。一般地，故障會導(dǎo)致新的錯誤（error）和使得被控對象處于錯誤狀態(tài)，錯誤又會導(dǎo)致系統(tǒng)功能失靈；失靈又會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生新的故障，如此往復(fù)。考慮到研究的一般性，本文所謂的故障將涵蓋上述故障與功能性失效兩種類型，而不刻意區(qū)分失靈與故障兩術(shù)語之間的細微區(qū)別。（3）錯誤（error）：此處所謂的錯誤是指設(shè)計缺陷或背離期望的狀態(tài)，除非采用有力措施，否則錯誤將引起故障，這些故障還會引起新的錯誤，循環(huán)往復(fù)，誘發(fā)出更多故障或連鎖反應(yīng)。對于故障和錯誤之間的關(guān)系，文獻[1]指出：諸如過程模型、數(shù)據(jù)圖表以及程序等組件的設(shè)計成品通常不會有故障，但有可能包含錯誤。而且，當這些設(shè)計品被用于實際機器系統(tǒng)時，可能導(dǎo)致機器運行出現(xiàn)故障或控制過程失靈。計算機控制系統(tǒng)的軟件產(chǎn)品與上述情況類似，錯誤不是實體，也不會出現(xiàn)故障，但如果安裝在計算機中運行可能會導(dǎo)致計算機系統(tǒng)故障。（4）過失（gross）與野值（outlier）：過失最早是出現(xiàn)在探索性數(shù)據(jù)分析[2 3l及相關(guān)領(lǐng)域，主要是指采樣數(shù)據(jù)序列中的過失誤差或包含有過失誤差的采樣數(shù)據(jù)，其表現(xiàn)形式為數(shù)據(jù)異常。對計算機控制系統(tǒng)而言，采樣系統(tǒng)出錯、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸錯誤、傳感器故障等帶來的后果，往往是計算機控制系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)序列中含有帶過失誤差的野值。關(guān)于野值的模型描述，Kunsh從采樣時間序列穩(wěn)健化研究出發(fā)，提出了野值生成模型的概念，并討論了加性野值（additive outlier，AO）模型和新息野值（innovation outlier，IO）模型下野值的特點，將動態(tài)數(shù)據(jù)集合中野值劃分為孤立型、相依型和斑點三種類型；文獻從工程信號處理的角度，將離散時間數(shù)據(jù)序列野值描述為“明顯偏離大部分測量數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)變化趨勢”的少量或小部分數(shù)據(jù)點，強調(diào)主體數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)變化“趨勢”，以偏離數(shù)據(jù)序列主體部分所呈現(xiàn)的“趨勢”為判別野值的依據(jù)，并明確指出異常點在集合中只占“小部分”（最多不超過一半），該定義不僅可涵蓋簡單隨機抽樣情形、Edgeworth的定義和文獻[48]、r49]的定義，而且覆蓋了時間序列及隨機系統(tǒng)中各種類型的野值點情形，具有較廣泛的適應(yīng)性。值得指出的是，在國內(nèi)的統(tǒng)計文獻中，也有將Outlier譯成異常數(shù)據(jù)。嚴格地說，野值是數(shù)據(jù)異常的一種表現(xiàn)形式，異常數(shù)據(jù)的含義比野值要寬泛一些。

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《計算機控制系統(tǒng)容錯設(shè)計技術(shù)及應(yīng)用》是由科學(xué)出版社出版的。

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