尹遜和,王 忻

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100044)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各類系統(tǒng)日趨復(fù)雜化,自動化、高速化和智能化的程度也越來越高,系統(tǒng)的各部分之間的耦合度也隨之增加.特別是高速渦輪機(jī)械、工業(yè)泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、離心機(jī)等廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金、電力、有色冶金等工藝行業(yè)的主要設(shè)備與生產(chǎn)過程緊密相連,形成了一個龐大的系統(tǒng).當(dāng)發(fā)生由不確定性因素導(dǎo)致的軟件或硬件故障時,系統(tǒng)中會產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng),從而影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行.自愈控制系統(tǒng)具備及時檢測故障狀態(tài)、采取合理措施抑制或消除故障對系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響的能力,可提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性;同時,在實際的工業(yè)生產(chǎn)中,除少數(shù)突發(fā)故障外,大多數(shù)故障的發(fā)生是一個漸進(jìn)的過程;當(dāng)早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障趨勢時,自愈控制(self-healing control)就可以通過及時地采取適當(dāng)?shù)牟呗约右灶A(yù)防.因此,研究自愈控制對于提高系統(tǒng)的安全性、可靠性以及使系統(tǒng)能夠高效率的運(yùn)行具有重要意義.

本文提及的“故障”一詞可參考國際自動控制聯(lián)合會安全過程技術(shù)委員會對故障的定義[1]:系統(tǒng)至少一個參數(shù)或特性偏離了其可接受的/通常/標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài).科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得系統(tǒng)功能多樣化、運(yùn)行高效化和數(shù)據(jù)智能化的同時,也對系統(tǒng)的安全性和可靠性提出了更高的要求.于是,為了提高系統(tǒng)對自身故障情況的監(jiān)測和應(yīng)對能力,近年來學(xué)者們提出了自愈控制的思想.由于自愈控制仍然處于初級發(fā)展階段,自愈控制的應(yīng)用和研究目前還局限于特定的領(lǐng)域.雖然自愈控制已經(jīng)初步形成了一個研究領(lǐng)域,在應(yīng)用方面有很強(qiáng)的吸引力,并獲得了越來越多的關(guān)注,但并沒有學(xué)者給出自愈控制的明確定義,同時在研究范疇上也沒有很好地界定.以目前自愈控制的研究和發(fā)展現(xiàn)狀來看,給出自愈控制的統(tǒng)一定義和界定其學(xué)科研究內(nèi)容不是一件容易的事情.自愈控制理論的研究是滯后于自愈控制的工程應(yīng)用的,學(xué)術(shù)界對自愈控制理論的研究才剛剛起步.為了促進(jìn)學(xué)科發(fā)展,在一定階段通過梳理和研究自愈控制在工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀來明確其特征、功能和研究范疇是一個必要的過程.

本文的結(jié)構(gòu)如下:第2部分梳理了智能電網(wǎng)領(lǐng)域、飛行控制系統(tǒng)領(lǐng)域和機(jī)器故障自愈調(diào)控系統(tǒng)領(lǐng)域中與自愈控制相關(guān)的文獻(xiàn),展現(xiàn)了自愈控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀;第3部分分析了自愈控制系統(tǒng)的特征、功能并給出了其定義;第4部分討論了自愈系統(tǒng)、容錯控制與自愈控制的聯(lián)系和區(qū)別;第5部分給出了自愈控制系統(tǒng)的基本架構(gòu),初步界定了自愈控制的研究范疇;最后一部分總結(jié)了研究自愈控制的必要性及其發(fā)展趨勢.

2 自愈控制的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

對自愈控制的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析是自愈控制形成有效理論的重要部分之一,自愈控制理論的研究、發(fā)展和完善又將促使自愈控制的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛,二者是相輔相成的.本節(jié)將通過梳理智能電網(wǎng)、飛行控制系統(tǒng)和機(jī)器故障自愈調(diào)控系統(tǒng)等領(lǐng)域與自愈控制相關(guān)的文獻(xiàn),理清自愈控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程及其技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀,旨在通過分析自愈控制在特定領(lǐng)域的應(yīng)用,明確自愈控制的特征和功能.

2.1 智能電網(wǎng)的自愈控制

由于電網(wǎng)的復(fù)雜分布式結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代社會對高質(zhì)量供電水平的需求,它亟需一套有效的方法處理來自電網(wǎng)內(nèi)部或外部的威脅.1999年美國電力科學(xué)研究院和國防部在“復(fù)雜交互網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)計劃”中首次提出自愈電網(wǎng)的概念[2],該計劃的目標(biāo)是開發(fā)新的工具和技術(shù),使大型國家基礎(chǔ)設(shè)施能夠自愈以應(yīng)對威脅、材料故障和其他不穩(wěn)定因素,并將自愈控制作為重要研究領(lǐng)域[4,10].2005年起,我國的學(xué)者和工程技術(shù)人員開始關(guān)注并開展自愈控制的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用研究[3-20].2011年,在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)中發(fā)起名為“智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)研究與開發(fā)”的計劃,并于2015年1月27日在廣東佛山通過驗收.結(jié)合研究人員潛心研究的成果與在工程項目中積累的實踐經(jīng)驗,可以將智能配電網(wǎng)的自愈控制描述為[4]:在含分布式電源的配電網(wǎng)的不同層次和區(qū)域內(nèi)實施充分協(xié)調(diào)且技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的控制手段與策略,使其具有自我檢測、自我診斷、自我決策、自我恢復(fù)的能力,實現(xiàn)配電網(wǎng)在不同狀況下的安全可靠與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.

2.1.1 自愈控制架構(gòu)的發(fā)展概況

在智能電網(wǎng)自愈控制提出的早期,一些學(xué)者致力于研究實現(xiàn)自愈控制的體系架構(gòu)以及關(guān)鍵技術(shù)[4-10].文獻(xiàn)[4]圍繞智能配電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)的目標(biāo)和實現(xiàn)策略,闡述了智能配電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)應(yīng)具有的功能,總結(jié)了完善的智能配電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)分層架構(gòu),如圖1所示.

圖1 智能配電網(wǎng)的自愈控制系統(tǒng)分層架構(gòu)示意圖[4]Fig.1 Schematic diagram of layered architecture of self-healing control system for intelligent distribution network[4]

文獻(xiàn)[5]介紹了智能電網(wǎng)自愈控制的體系架構(gòu)和3種控制的實現(xiàn)方式:集中控制方式、分散控制方式和集中分散調(diào)控方式.文獻(xiàn)[6]介紹了實現(xiàn)配電網(wǎng)自愈的關(guān)鍵技術(shù),給出了配電網(wǎng)自愈控制的工作流程,如圖2所示,圖中:fe,fr,fc,fp為緊急狀態(tài)、恢復(fù)狀態(tài)、異常狀態(tài)和報警狀態(tài)下的系統(tǒng)限定值;f0為系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)計算值.文獻(xiàn)[7]利用統(tǒng)一建模語言(unified modeling language,UML),建立了配電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)的示意圖和時序圖,清晰地闡述了自愈控制系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu).文獻(xiàn)[8]考慮了智能電網(wǎng)包含分布式電源的特點,總結(jié)了智能配電網(wǎng)自愈控制的體系結(jié)構(gòu)、自愈控制策略,說明了自愈控制的關(guān)鍵技術(shù)包含先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)、快速仿真建模技術(shù)、電網(wǎng)設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)和故障隔離與配電網(wǎng)重構(gòu)技術(shù)4個方面,指明了自愈控制涵蓋了自動化通信(automatic communication)、智能決策和計算機(jī)控制等新技術(shù)領(lǐng)域.這些成果對于智能配電網(wǎng)自愈控制的實現(xiàn)具有參考價值,但在實現(xiàn)自愈控制的具體技術(shù)和控制方法方面的研究有所不足.文獻(xiàn)[9]提出了城市自愈電網(wǎng)的概念結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方式.文獻(xiàn)[10]分析了智能配電網(wǎng)自愈控制的實際需求,設(shè)計了新技術(shù)支撐下的智能配電網(wǎng)自愈控制的架構(gòu).

圖2 配電網(wǎng)自愈控制流程圖[6]Fig.2 Flow chart for distribution network self-healing control[6]

隨著對智能電網(wǎng)的自愈控制架構(gòu)和技術(shù)的深入研究,建立電網(wǎng)自愈能力的評估體系的重要性逐漸顯現(xiàn),文獻(xiàn)[11]建立了一套智能配電網(wǎng)發(fā)生故障后的自愈能力評估體系,有助于評價自愈控制方案的優(yōu)劣.該評估體系的不足之處在于未將系統(tǒng)預(yù)防故障的能力作為納入衡量系統(tǒng)自愈控制性能優(yōu)劣的指標(biāo);故障預(yù)防作為智能電網(wǎng)自愈控制的重要組成部分,應(yīng)該予以考慮.

文獻(xiàn)[4-11]系統(tǒng)地介紹了智能電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù),以及配電網(wǎng)自動化的支撐技術(shù).但相關(guān)研究對智能配電網(wǎng)特性的考慮不全面,建立的自愈控制的評價指標(biāo)也不夠成熟,對智能電網(wǎng)的自愈控制的研究尚未形成統(tǒng)一的理論體系.

2.1.2 智能電網(wǎng)的自愈控制應(yīng)用技術(shù)的研究現(xiàn)狀

可再生能源發(fā)電和分布式發(fā)電的技術(shù)的廣泛應(yīng)用,為智能電網(wǎng)自愈控制的實現(xiàn)提供了技術(shù)支撐,提高了電網(wǎng)的可靠性.文獻(xiàn)[12]提出了一種基于分布式控制的中壓(medium-voltage,MV)網(wǎng)絡(luò)自愈系統(tǒng),該系統(tǒng)由若干個斷路器和環(huán)形饋線的分段開關(guān)組成,系統(tǒng)可以自動識別網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并進(jìn)行自配置,從而實現(xiàn)電網(wǎng)的自愈.文獻(xiàn)[13]針對分布式電網(wǎng)系統(tǒng)的概率性、間歇性和負(fù)荷逐時變化的特點,提出了一個綜合的設(shè)計和運(yùn)行規(guī)劃的自愈框架.文獻(xiàn)[14]結(jié)合現(xiàn)階段國內(nèi)主站集中式和分布智能式配電網(wǎng)自動化的決策特點,提出一種基于快速自愈控制技術(shù)的分布式饋線線路自愈控制方案.文獻(xiàn)[15]介紹了主干線常用的分布式集中自愈控制方案,并且針對目前常用的自愈控制方案的不足,結(jié)合分布式自愈控制方案和集中式自愈控制方案的優(yōu)點,提出了一種改進(jìn)的自愈控制方案.文獻(xiàn)[12-15]分別結(jié)合不同的智能電網(wǎng)的特性,設(shè)計了自愈控制方案,但缺乏對自愈控制的理論方面的深入研究.

近年來,學(xué)者們對基于多智能體的智能電網(wǎng)的自愈控制進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[16]提出了一種基于多智能體系統(tǒng)(multi-agent system,MAS)的電網(wǎng)分布式分層自愈控制方法:當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時,采用分層優(yōu)化思想進(jìn)行快速修復(fù),實現(xiàn)了電網(wǎng)在任意情況下的最優(yōu)運(yùn)行.文獻(xiàn)[17]搭建了基于多智能體容錯思想的自愈控制框架結(jié)構(gòu),建立了智能配電網(wǎng)冗余資源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型,提出了一種智能配電網(wǎng)容錯自愈方法.文獻(xiàn)[18]提出了一種基于多智能體控制系統(tǒng)(multi-agent control system,MACS)的控制方法:通過適當(dāng)?shù)刂匦屡渲门潆娋W(wǎng),消除了饋線的擁塞,同時通過配電網(wǎng)電壓控制裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)行,改善了電壓越限的問題,滿足了智能配電網(wǎng)的自愈需求.智能電網(wǎng)的自愈控制與多智能體技術(shù)的結(jié)合為自愈控制的發(fā)展注入了新的活力.配電網(wǎng)重構(gòu)也是實現(xiàn)自愈控制的關(guān)鍵技術(shù),它屬于多目標(biāo)非線性組合優(yōu)化問題,其中智能優(yōu)化算法[19-20]被多數(shù)研究人員視為當(dāng)前有效的求解方法之一.

近20年來,自愈控制在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用有了一定的進(jìn)展和研究成果.通過梳理文獻(xiàn),將實現(xiàn)智能電網(wǎng)自愈控制的方法進(jìn)行簡要的歸納,具體如表1所示.

表1 實現(xiàn)智能電網(wǎng)自愈控制的方法Table 1 Methods for realizing self-healing control of smart power grids

2.2 飛行控制系統(tǒng)的自愈控制

幾年前,有學(xué)者認(rèn)為:飛行控制系統(tǒng)領(lǐng)域的自愈控制就是將故障診斷和容錯控制方法納入統(tǒng)一的框架[21-22].飛行控制系統(tǒng)的自愈控制主要是基于主動容錯控制技術(shù),對發(fā)生的故障進(jìn)行實時檢測和辨識,并充分利用飛行控制系統(tǒng)的冗余有效控制機(jī)能來進(jìn)行控制律的重構(gòu)設(shè)計[23],使飛行器能夠補(bǔ)償故障帶來的影響;重構(gòu)控制技術(shù)可以降低飛行器對硬件冗余的需求,允許在出現(xiàn)較嚴(yán)重的故障或者外部干擾的情況下,仍然能使系統(tǒng)性能保持在可接受的范圍之內(nèi).研究表明,失控仍然是全球致命飛機(jī)事故的最大原因之一[24],研究飛行控制系統(tǒng)的自愈控制是有必要的.

2.2.1 飛行控制系統(tǒng)的自愈控制的研究現(xiàn)狀

自愈控制是具有前瞻性的新概念.近年來,隨著學(xué)者和工程技術(shù)人員對系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和安全性的重視程度逐漸提高,自愈控制也將成為研究的熱點之一.文獻(xiàn)[25]針對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的卡死故障,提出了一種自愈控制框架,該框架能保證系統(tǒng)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的情況下,盡可能地跟蹤安全或期望的參考點.為了確保執(zhí)行器故障和約束條件下單轉(zhuǎn)子的安全運(yùn)行,文獻(xiàn)[26]提出了一種自愈控制方法,并說明提出的自愈控制方法是一種基于在線參考再設(shè)計(reference redesign on-line)的擴(kuò)展主動容錯控制方法.文獻(xiàn)[27]首先建立了具有執(zhí)行器故障的高超音速飛行器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,然后提出了一種容錯算法來估計由于狀態(tài)誤差引起的故障幅值,并對這些誤差進(jìn)行補(bǔ)償.文獻(xiàn)[25-27]研究的自愈控制方法是主動容錯控制方法的擴(kuò)展,其目的是提高飛行控制系統(tǒng)的自修復(fù)能力,但提出的自愈控制方法中只考慮了線性模型,在飛行控制系統(tǒng)的自愈控制的研究中考慮系統(tǒng)非線性因素將成為未來研究的方向之一.

2.2.2 飛行控制系統(tǒng)的容錯控制

飛行控制系統(tǒng)的自愈控制主要是基于主動容錯控制技術(shù),為了更好地理解飛行控制系統(tǒng)的自愈控制,介紹飛行控制系統(tǒng)的容錯控制是必要的.文獻(xiàn)[28]設(shè)計了滑模干擾觀測器和滑模控制器,以改善飛行器的內(nèi)外部干擾和模型不確定性,同時提高該系統(tǒng)對執(zhí)行器故障的容忍能力,但此方法在系統(tǒng)發(fā)生故障時的處理能力是有限的.文獻(xiàn)[29]設(shè)計了一種高超聲速飛行器自適應(yīng)容錯控制器,該控制器采用自適應(yīng)算法在線估計未知的控制器參數(shù),在執(zhí)行器發(fā)生卡死或部分失效故障時,實現(xiàn)了對故障的容錯控制和對制導(dǎo)指令的魯棒輸出跟蹤.文獻(xiàn)[30]介紹了利用模型參考自適應(yīng)控制設(shè)計直升機(jī)容錯控制系統(tǒng)的方法,提出了一種基于外環(huán)補(bǔ)償技術(shù)的直升機(jī)故障直接自適應(yīng)控制方案.文獻(xiàn)[29-30]設(shè)計的基于自適應(yīng)的容錯控制方法以隱含的方式處理故障,這一類方法不需要精確的故障信息,并且響應(yīng)快速,但是其中的自適應(yīng)環(huán)節(jié)需要每時每刻對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行估計并給控制器提供調(diào)整信號,需要大量的計算資源,對系統(tǒng)配置要求較高,具有一定的局限性.

傳感器作為控制器或觀測器的關(guān)鍵信號來源,它出現(xiàn)故障所帶來的危害是不容忽視的,因此,傳感器故障在容錯控制系統(tǒng)設(shè)計中也受到了較大的關(guān)注.文獻(xiàn)[31]將飛行控制系統(tǒng)的傳感器故障、執(zhí)行器故障和隨機(jī)噪聲同時考慮在統(tǒng)一的框架內(nèi),提出了一種新的廣義模糊滑模觀測的方法,并設(shè)計了一種基于觀測器的容錯控制方案來使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定;利用設(shè)計的觀測器對故障的傳感器所測量的信號進(jìn)行重構(gòu),這些設(shè)計可減少冗余的傳感器的配置,但不足之處在于,系統(tǒng)中多個傳感器發(fā)生故障或傳感器和執(zhí)行器同時故障的情況下,無法滿足信號重構(gòu)的條件.文獻(xiàn)[32]提出了一種基于魯棒故障估計和同時補(bǔ)償執(zhí)行器和傳感器故障的新型容錯跟蹤控制策略,此文獻(xiàn)在執(zhí)行器故障和傳感器故障的估計方面進(jìn)行了相對深入的研究,但對于執(zhí)行器和傳感器出現(xiàn)故障時的處理方式的研究還僅停留在理論研究層面.

2.2.3 飛行控制系統(tǒng)自愈控制與容錯控制的關(guān)系

雖然有些學(xué)者認(rèn)為飛行控制系統(tǒng)領(lǐng)域的自愈控制是將故障診斷與容錯控制納入統(tǒng)一的框架[21-22],但并不能由此斷定自愈控制就是將故障診斷和容錯控制納入統(tǒng)一框架,只能說明將故障診斷和容錯控制納入統(tǒng)一框架是自愈控制的研究內(nèi)容之一.飛行控制系統(tǒng)的自愈控制將故障診斷和容錯控制納入統(tǒng)一框架與自愈控制系統(tǒng)的關(guān)系如圖3所示.

圖3 自愈控制系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)的自愈控制的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between self-healing control system and self-healing control of flight control systems

隨著系統(tǒng)復(fù)雜化、系統(tǒng)各部件的交互增加和系統(tǒng)異質(zhì)異構(gòu)鏈接,傳統(tǒng)的系統(tǒng)分析理論和方法不再完全適用,必須結(jié)合當(dāng)下系統(tǒng)的實際需求和面臨的問題對原有的系統(tǒng)理論體系加以完善.通過歸納相關(guān)文獻(xiàn),將實現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)自愈控制的方法進(jìn)行簡要的總結(jié),具體如表2所示.

表2 實現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)自愈控制的方法Table 2 Methods for realizing self-healing control of flight control systems

2.3 機(jī)械系統(tǒng)的自愈調(diào)控

2.3.1 機(jī)器故障自愈調(diào)控系統(tǒng)概述

機(jī)器故障自愈調(diào)控系統(tǒng)領(lǐng)域強(qiáng)調(diào)“故障在線消除”:深入研究故障機(jī)理,實時檢測并診斷故障行為的原因,預(yù)測故障產(chǎn)生的條件,通過智能決策和主動控制,在運(yùn)行中抑制和消除故障,實現(xiàn)故障的自愈化[33].文獻(xiàn)[33]給出了機(jī)器的監(jiān)測診斷、維修和故障自愈功能示意圖,如圖4所示.由圖4可知,機(jī)器故障自愈調(diào)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)測環(huán)節(jié)、診斷與預(yù)測環(huán)節(jié)和自愈環(huán)節(jié),它的目的是在機(jī)械系統(tǒng)啟用緊急停車之前增設(shè)故障自愈調(diào)控系統(tǒng),使系統(tǒng)具備自愈功能,在確保系統(tǒng)安全的前提下大幅度減少緊急停車的次數(shù).

圖4 機(jī)器的監(jiān)測診斷與自愈功能[33]Fig.4 The monitoring diagnosis and self-healing function of the machine[33]

文獻(xiàn)[34]指出了國內(nèi)外裝備的故障自愈技術(shù)研究主要包括高速離心壓縮機(jī)、透平機(jī)、航空發(fā)動轉(zhuǎn)子的自動平衡技術(shù)和過程裝備復(fù)雜系統(tǒng)的故障自愈調(diào)控系統(tǒng).文獻(xiàn)[35]從系統(tǒng)學(xué)理論和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中自恢復(fù)理論的角度,闡明了過程裝備自愈調(diào)控原理的提出和發(fā)展歷程,裝備系統(tǒng)自愈調(diào)控原理為研制出具有自愈功能的新一代裝備提供了科學(xué)依據(jù).文獻(xiàn)[36]研究了以故障預(yù)防和故障消除為目標(biāo)的故障自愈原理,分析了故障自愈技術(shù)的現(xiàn)狀和未來,并明確了裝備故障自愈工程研究的主要領(lǐng)域,為研制出具有自愈功能的裝備提供了依據(jù),強(qiáng)調(diào)了裝備系統(tǒng)的故障自愈原理研究不僅是工程實踐的迫切需求,也是未來需要研究的重大課題之一,同時總結(jié)了故障自愈工程(fault self-recovery engineering,FSE)研究的主要領(lǐng)域,如圖5所示.

圖5 備故障自愈工程研究的主要領(lǐng)域[36]Fig.5 Main fields of research on equipment failure selfhealing engineering[36]

在高速離心壓縮機(jī)、透平機(jī)、航空發(fā)動轉(zhuǎn)子這類設(shè)備中,由于對可靠性要求高,研究其故障自愈調(diào)控方法是必要的.文獻(xiàn)[37]針對離心壓縮機(jī)存在的軸位移故障,設(shè)計了離心壓縮機(jī)軸位移故障自愈調(diào)控系統(tǒng).文獻(xiàn)[38]提出一種轉(zhuǎn)子同頻振動的在線消除策略,在理論推導(dǎo)和論述的基礎(chǔ)上,結(jié)合電磁力式平衡裝置,設(shè)計了一種基于尋優(yōu)策略的轉(zhuǎn)子振動補(bǔ)償控制算法,實現(xiàn)了機(jī)械自愈調(diào)控.文獻(xiàn)[39]針對伺服控制系統(tǒng),將人工免疫系統(tǒng)與自愈系統(tǒng)相結(jié)合,建立了故障自愈系統(tǒng)的仿真模型.

由于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)對透平機(jī)械的轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性提出了更高的要求,文獻(xiàn)[40]提出一種針對電機(jī)運(yùn)行時“亞健康”狀態(tài)的雙閉環(huán)自愈調(diào)控算法.文獻(xiàn)[41]基于可靠性設(shè)計和故障仿生自愈原理,提出了一種基于功能代償?shù)亩喟悬c電液控制系統(tǒng)故障自愈調(diào)控方法.機(jī)器故障自愈調(diào)控技術(shù)正逐漸成為預(yù)防故障和降低維修成本的有效手段.

2.3.2 人工自愈與工業(yè)過程系統(tǒng)的自愈控制

人工自愈的提出,為控制領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的方向,文獻(xiàn)[42]在仿生機(jī)械學(xué)研究的這個新領(lǐng)域首次提出了人工自愈的概念.人工自愈是在故障機(jī)理和風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上,仿生設(shè)計并賦予機(jī)器自發(fā)作用的、維持健康狀態(tài)的能力,使機(jī)器儲存、補(bǔ)充和調(diào)動自愈力以維持機(jī)體的健康狀態(tài);闡明了工程自愈論是應(yīng)用仿生原理、遵循控制論、突破生命與非生命的界線,將自愈機(jī)制這個人和動物所特有的概念賦予機(jī)器.說明了工程自愈論是控制論研究的新領(lǐng)域,是人工自愈的理論基礎(chǔ),并對自動化與自愈化的異同進(jìn)行了詳細(xì)的分析和對比.

由于基于知識的故障診斷技術(shù)的發(fā)展,引起了工業(yè)過程的自愈控制對數(shù)據(jù)和知識的重視.文獻(xiàn)[43]通過分析工業(yè)過程系統(tǒng)中各種工況的不同特點,提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的異常狀態(tài)識別與自愈控制系統(tǒng).文獻(xiàn)[44]介紹了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的工況的異常情況的診斷與自愈控制方法的研究現(xiàn)狀.文獻(xiàn)[45]介紹了基于振動故障機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能診斷、人工自愈原理與振動故障自愈調(diào)控系統(tǒng)、航空發(fā)動機(jī)整機(jī)動平衡與自動平衡等原理和技術(shù).

在機(jī)器故障自愈調(diào)控領(lǐng)域,北京化工大學(xué)的高金吉院士所提出的人工自愈和工程自愈論在自愈控制領(lǐng)域具有重大意義.工業(yè)過程運(yùn)行監(jiān)控及優(yōu)化的自愈調(diào)控技術(shù)中將故障機(jī)理與數(shù)據(jù)處理緊密結(jié)合,實現(xiàn)了在系統(tǒng)運(yùn)行過程中對機(jī)器故障狀態(tài)的自愈化.通過梳理文獻(xiàn),將實現(xiàn)機(jī)器故障自愈調(diào)控的方法進(jìn)行簡要的歸納,具體如表3所示.

表3 實現(xiàn)機(jī)器故障自愈調(diào)控系統(tǒng)的方法Table 3 Methods for realizing mechanical fault selfhealing control system

2.4 小結(jié)

智能電網(wǎng)主要通過實時在線監(jiān)測、故障隔離和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)的自愈控制.飛行控制系統(tǒng)的自愈控制是首先對發(fā)生的故障進(jìn)行實時檢測和診斷,再通過控制律的重構(gòu)來補(bǔ)償故障帶來的負(fù)面影響,最后實現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)的自愈控制.機(jī)器故障自愈調(diào)控系統(tǒng)則是通過研究機(jī)械故障機(jī)理來提出抑制或消除故障的方法,試圖從機(jī)械動力學(xué)加控制的角度來解決設(shè)備的故障問題,以此來實現(xiàn)機(jī)器設(shè)備的自愈化.總體來看,智能電網(wǎng)自愈控制為實現(xiàn)系統(tǒng)的自愈控制的應(yīng)用提供了指導(dǎo)思想,飛行控制系統(tǒng)的自愈控制為實現(xiàn)系統(tǒng)的自愈控制提供了實踐依據(jù),機(jī)器故障自愈調(diào)控系統(tǒng)為自愈控制的發(fā)展提供了方向.自愈控制可以優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行性能,實時檢測系統(tǒng)性能,預(yù)估潛在的故障概率,在漸進(jìn)式故障發(fā)生的初期進(jìn)行抑制,提升系統(tǒng)運(yùn)行水平.

通過梳理智能電網(wǎng)的自愈控制、飛行控制系統(tǒng)的自愈控制和機(jī)器故障自愈調(diào)控系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用成果,對實現(xiàn)其他領(lǐng)域的自愈控制具有一定的借鑒意義.

綜合上述3個領(lǐng)域的分析,本節(jié)對自愈控制系統(tǒng)的共性技術(shù)進(jìn)行提煉,具體如表4所示.

3 自愈控制的特征、功能與定義

3.1 自愈控制的特征

首先,通過對智能電網(wǎng)的自愈控制、飛行控制系統(tǒng)的自愈控制和機(jī)器故障自愈調(diào)控系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的文獻(xiàn)的梳理,可將自愈控制的一般特征總結(jié)為:1)無人干預(yù);2)檢測與診斷故障;3)預(yù)防、抑制和消除故障;4)知識支撐.無人干預(yù)是自愈控制系統(tǒng)的基本特征.檢測與診斷故障是自愈控制系統(tǒng)的基礎(chǔ):檢測的目的是實時檢測系統(tǒng)的狀態(tài)并及時發(fā)現(xiàn)故障狀態(tài)的存在,診斷的目的是對故障進(jìn)行辨識甚至找到故障原因.預(yù)防、抑制和消除故障是自愈控制系統(tǒng)的主要目的:預(yù)防是對潛在的故障進(jìn)行提前干預(yù);抑制是先阻止系統(tǒng)中發(fā)生的故障對系統(tǒng)性能造成的進(jìn)一步的不良影響,再通過采取特定措施優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài);消除則是針對系統(tǒng)中發(fā)生的可修復(fù)故障,采取相應(yīng)措施來消除故障,從而使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài).知識支撐的核心是關(guān)于系統(tǒng)和故障機(jī)理的相關(guān)知識的掌握.

其次,為了進(jìn)一步理解自愈控制,通過對第2部分中3個領(lǐng)域的自愈控制發(fā)展現(xiàn)狀的梳理,本文總結(jié)出了自愈控制發(fā)展的從低級到高級的目標(biāo)層次,如圖6所示.第1層的目標(biāo)是建立具有容錯能力的控制系統(tǒng),系統(tǒng)的容錯能力是實現(xiàn)自愈控制的基礎(chǔ).第2層的目標(biāo)是實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)診斷機(jī)制:即,在容錯能力的基礎(chǔ)上實時獲得系統(tǒng)的狀態(tài)以及故障信息,這是自愈控制的重要組成部分.第3層的目標(biāo)是完成在線優(yōu)化機(jī)制,它以第2層目標(biāo)獲得的信息為依據(jù),對系統(tǒng)的非正常狀態(tài)采取一定的措施,在線優(yōu)化系統(tǒng)性能,達(dá)到預(yù)防或抑制故障的目的.第4層的目標(biāo)是實現(xiàn)系統(tǒng)自愈機(jī)制,這是自愈控制的最高目標(biāo);在系統(tǒng)的自愈機(jī)制下,系統(tǒng)可以靈活地采取抑制、消除和預(yù)防故障的措施,使系統(tǒng)從非正常狀態(tài)轉(zhuǎn)換為正常狀態(tài).

圖6 自愈控制的目標(biāo)層次圖Fig.6 The target hierarchy of self-healing control

生物自身所具有的完整的自愈能力是在自然界中經(jīng)過上億年的演化才具有的性能,而學(xué)者們利用半個世紀(jì)的時間已基本實現(xiàn)自愈控制的前3層目標(biāo),但整體實現(xiàn)自愈控制的最高目標(biāo),需要一定的時間,有關(guān)自愈控制的研究目前正在逐步邁入實現(xiàn)最高目標(biāo)的時代.

3.2 自愈控制系統(tǒng)的功能與定義

實現(xiàn)自愈控制系統(tǒng)需要控制技術(shù)與多學(xué)科知識的交叉,需要打破各個學(xué)科之間的壁壘.雖然面臨著巨大的挑戰(zhàn),但自愈控制在工程實踐中依舊蓬勃發(fā)展,展現(xiàn)出其強(qiáng)大的生命力.自愈控制的強(qiáng)大生命力與它所具有的與當(dāng)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求高度契合的功能有著密不可分的關(guān)系,以無人干預(yù)為主要特征之一的自愈控制的功能可簡要描述為以下3個方面:

1) 系統(tǒng)監(jiān)測功能:通過監(jiān)測可以實時獲得系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),再通過分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)可以評估系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)估潛在故障的概率、檢測故障和診斷故障的特征信息等,從而為自愈控制提供制定控制策略的依據(jù).

2) 故障處理功能:在系統(tǒng)處于性能退化或高故障風(fēng)險狀態(tài)的情況下,及時采取措施,抑制系統(tǒng)狀態(tài)的惡化并預(yù)防高風(fēng)險故障的發(fā)生;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,在獲得的故障信息的基礎(chǔ)上,通過采取先進(jìn)的控制方法抑制或消除故障對系統(tǒng)的影響,恢復(fù)系統(tǒng)性能.

3) 信息積累功能:通過對系統(tǒng)的監(jiān)測和故障處理信息的長久積累,可將獲得的信息轉(zhuǎn)化為關(guān)于系統(tǒng)和故障機(jī)理的知識,支撐自愈控制系統(tǒng)的高效運(yùn)行.

綜上所述,可將廣義的自愈控制系統(tǒng)定義為:在系統(tǒng)的元部件或子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,通過合理的資源協(xié)調(diào)和控制策略,使得系統(tǒng)具有自檢測、自診斷、自決策、自恢復(fù)的能力,其目的是對系統(tǒng)中潛在的故障進(jìn)行預(yù)防、已發(fā)生的故障進(jìn)行抑制和消除的同時使整個系統(tǒng)基本地維持正常運(yùn)行.簡單來說:自愈控制利用系統(tǒng)狀態(tài)診斷技術(shù),通過先進(jìn)的控制方式,使系統(tǒng)具有狀態(tài)在線診斷、實時在線優(yōu)化、預(yù)防潛在故障、已知故障快速自愈和未知故障自適應(yīng)修復(fù)的功能.所以自愈控制的發(fā)展依賴于高精度的監(jiān)控設(shè)備、完備的故障診斷技術(shù)以及先進(jìn)的控制方法.從某種程度上來說,控制技術(shù)與信息處理技術(shù)的進(jìn)步為自愈控制的誕生奠定了基礎(chǔ),自愈控制也是這些技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物.

4 自愈系統(tǒng)、容錯控制與自愈控制

在計算機(jī)領(lǐng)域有一種與自愈控制較為相似的概念被稱為自愈系統(tǒng),本節(jié)將通過回顧自愈系統(tǒng)的發(fā)展概況,分析自愈控制與自愈系統(tǒng)的關(guān)系.另外,在提及自愈控制的文獻(xiàn)中,或多或少總會提及容錯控制及其相關(guān)的技術(shù),但討論自愈控制和容錯控制關(guān)系的資料相對匱乏.為了深入理解自愈控制,研究自愈控制和容錯控制的關(guān)系是必要的,本節(jié)也將從容錯控制和自愈控制的發(fā)展歷程和各自的研究的側(cè)重點的角度出發(fā),對自愈控制與容錯控制的聯(lián)系和區(qū)別進(jìn)行分析.

4.1 自愈系統(tǒng)與自愈控制

在計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域中具有自愈屬性的系統(tǒng)一般被稱為自愈系統(tǒng)(self-healing system),在文獻(xiàn)[46]中自愈的概念首次作為自主計算(autonomic computing)的4個自我屬性之一被提出,并將其描述為:發(fā)現(xiàn)、診斷和對干擾做出反應(yīng)(discover,diagnose and react to disruptions).

文獻(xiàn)[47-50]介紹了自愈系統(tǒng)的發(fā)展概況,研究了網(wǎng)絡(luò)自愈系統(tǒng)的概念和特點,建立了自愈系統(tǒng)體系架構(gòu).文獻(xiàn)[49-54]采用調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵性能參數(shù)、改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、優(yōu)化診斷方式、設(shè)置恢復(fù)程序和選取最優(yōu)策略等多種方式實現(xiàn)計算機(jī)自愈系統(tǒng).

在計算機(jī)領(lǐng)域,最早提出自愈控制概念的相關(guān)文獻(xiàn)可追溯至1968年由學(xué)者Briley提出的計算機(jī)領(lǐng)域的自愈控制[55],并將其描述為一種不需要系統(tǒng)復(fù)制的電子計算機(jī)自修復(fù)(self-repairing)技術(shù).在之后的有關(guān)計算機(jī)領(lǐng)域的“自愈”研究中,由于大多數(shù)學(xué)者將自愈視為系統(tǒng)的一種屬性進(jìn)行研究,并沒有廣泛沿用“自愈控制”一詞,而是多采用“自愈系統(tǒng)”來代表具有自愈屬性的系統(tǒng).

計算機(jī)領(lǐng)域中自愈和容錯的關(guān)系也是研究自愈系統(tǒng)的重要組成部分之一.在計算機(jī)領(lǐng)域,容錯系統(tǒng)于1965年由學(xué)者Pierce提出并將容錯系統(tǒng)描述為處理瞬態(tài)和掩蓋永久故障,以便使系統(tǒng)返回到有效狀態(tài)[56].目前個別文獻(xiàn)對自愈系統(tǒng)和容錯系統(tǒng)間的關(guān)系進(jìn)行了探討,在文獻(xiàn)[47]認(rèn)為容錯系統(tǒng)與自愈系統(tǒng)有著根本的區(qū)別:容錯系統(tǒng)不包含面向恢復(fù)的計算,但也承認(rèn)了在某些情況下,自愈系統(tǒng)被視為從屬于容錯系統(tǒng).文獻(xiàn)[48]指出,自愈系統(tǒng)的研究起源于容錯和自穩(wěn)定系統(tǒng)的研究,并從自愈系統(tǒng)的起源和發(fā)展歷程的角度對自愈系統(tǒng)與容錯系統(tǒng)的關(guān)系進(jìn)行了一定的分析.文獻(xiàn)[57]指出,判斷自愈系統(tǒng)是否屬于容錯計算領(lǐng)域的看法為時過早,要解決這個問題,首先需要更好地理解“自愈”這一術(shù)語的含義.

自愈系統(tǒng)與自愈控制雖然有著相似的思想,但最終由于學(xué)科背景的不同,在具體的實踐中兩者的技術(shù)和方法產(chǎn)生了較大的差異.由于近年來信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機(jī)領(lǐng)域與其他學(xué)科的交叉變得越來越多,自愈系統(tǒng)與自愈控制系統(tǒng)存在著融合應(yīng)用的趨勢.

4.2 容錯控制與自愈控制

容錯原本是計算機(jī)設(shè)計技術(shù)中的一個概念,容錯即容忍錯誤(故障)的簡稱.學(xué)者Niederlinski早在1971年即提出了完整性控制的概念[58],將容錯的概念引入控制系統(tǒng)中.Siljak于1980 年發(fā)表了關(guān)于可靠鎮(zhèn)定的文章[59],意味著容錯控制技術(shù)發(fā)展成了一種高可靠技術(shù).1985年,Eterno等人將容錯控制進(jìn)行分類[60],完善了容錯控制體系.1986年9月美國國家科學(xué)基金會和美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)控制系統(tǒng)學(xué)會在美國加州桑塔卡拉大學(xué)聯(lián)合召開了關(guān)于控制所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)的討論會,在提交給大會的一份報告中,將容錯控制列為當(dāng)今和未來7個挑戰(zhàn)性課題之一[61].在1997年,Patton教授撰寫了容錯控制方面有一定代表性的綜述文章,全面闡述了容錯控制所面臨的問題和基本的解決方案[62].從2007年開始各大國際會議針對容錯控制的應(yīng)用設(shè)立了專題報告.經(jīng)過近40年的發(fā)展,容錯控制的體系基本成熟.2007年之后,其體系并沒有標(biāo)志性的變化,容錯控制發(fā)展概況的時間軸,如圖7所示.

圖7 容錯控制發(fā)展概況圖Fig.7 Overview of fault-tolerant control development

最早提及自愈控制的文獻(xiàn)可追溯至1968年由學(xué)者Briley在計算機(jī)領(lǐng)域提出的自愈控制的概念[55].1984年美國頒布實施“飛行控制系統(tǒng)自修復(fù)大綱”,開始研究具有自愈能力的模型.1997年,美國提出的“展望2010年下一代制造計劃”中將自維修和自修復(fù)列為研究重點之一[33].1999年美國電力科學(xué)研究院與國防部在“復(fù)雜交互網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)計劃”中首次提出自愈電網(wǎng)的概念,并將自愈控制作為重要的研究領(lǐng)域,電網(wǎng)領(lǐng)域的自愈控制被正式提出.2007年NASA 開啟了名為“綜合自愈合飛行器控制(integrated resilient aircraft control,IRAC)技術(shù)的計劃”,以增強(qiáng)飛行控制系統(tǒng)的自愈合能力[63].2015年的文獻(xiàn)[21-22]將故障診斷與容錯控制納入自愈控制的統(tǒng)一框架.自愈控制系統(tǒng)還處于概念提出和形成階段,其體系還在發(fā)展中,根據(jù)現(xiàn)有的資料和文獻(xiàn)將自愈控制標(biāo)志性發(fā)展的年份總結(jié)到2015年.自愈控制發(fā)展概況時間軸,如圖8所示.

圖8 自愈控制發(fā)展概況圖Fig.8 Overview of self-healing control development

由于冗余系統(tǒng)與容錯控制和自愈控制均具有密切關(guān)系,在此討論冗余系統(tǒng)、容錯控制和自愈控制的區(qū)別和聯(lián)系.冗余系統(tǒng)是為了增加系統(tǒng)的可靠性,采取兩套或兩套以上相同、相對獨立配置的備份設(shè)計.一般通過重復(fù)配置系統(tǒng)的一些部件,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,冗余配置的部件介入并承擔(dān)故障部件的工作,由此減少系統(tǒng)的故障時間.由于冗余系統(tǒng)需要重復(fù)配置相應(yīng)的部件,具有較高的成本;同時,在處理不確定性和故障時的措施相對單一,所以冗余系統(tǒng)的自愈度是初級的.容錯控制就是使系統(tǒng)具有容忍故障的能力,在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下,它仍可以實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能.容錯控制在處理系統(tǒng)故障時可采取的措施比冗余系統(tǒng)更加靈活多樣,容錯控制的自愈度是中級的.自愈控制是在系統(tǒng)具有容忍故障能力的前提下,對系統(tǒng)非正常狀態(tài)實施對應(yīng)的策略,使系統(tǒng)具有預(yù)防、抑制和消除故障的能力.通過系統(tǒng)監(jiān)測診斷、智能決策和先進(jìn)控制等方法,自愈控制在系統(tǒng)運(yùn)行時將實現(xiàn)預(yù)防故障和消除系統(tǒng)的可修復(fù)故障的目的,與冗余系統(tǒng)和容錯控制相比,自愈控制更加全面地利用了系統(tǒng)運(yùn)行時的狀態(tài)信息,同時具備智能的決策方式,自愈控制的自愈度相對較高.總體來說,冗余系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)相關(guān)部件的重復(fù)配置,容錯控制強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)與故障的共存能力,自愈控制強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)對故障的預(yù)防、抑制和消除,自愈控制包含面向恢復(fù)的控制策略,因而這3方面研究的側(cè)重點是不同的.

為了進(jìn)一步說明容錯控制和自愈控制的關(guān)系,將系統(tǒng)的工作模式分為正常、退化、故障和失效模式.本文可以利用圖9分析系統(tǒng)模式的轉(zhuǎn)換過程:a過程屬于理想的系統(tǒng)運(yùn)行模式,b,c,d,e,f 和g 的轉(zhuǎn)換過程是系統(tǒng)中由于各種因素喪失原有性能的過程,均不屬于自愈控制和容錯控制研究的范疇.而轉(zhuǎn)換過程1-5分別為:退化模式到正常模式、故障模式到退化模式、故障模式到正常模式、退化模式到退化模式和故障模式到故障模式.

圖9 系統(tǒng)工作模式轉(zhuǎn)換圖Fig.9 Diagram of system working mode conversion

要確定在5種轉(zhuǎn)換過程中哪幾個過程屬于容錯控制,又有哪幾個過程屬于自愈控制的范疇呢?首先得明確容錯和自愈這兩個詞的基本意義,容錯即容忍故障的簡稱,可知容錯其并不強(qiáng)調(diào)故障的恢復(fù),所以轉(zhuǎn)換過程4-5屬于容錯控制的范疇.但對“自愈”一詞目前還沒有一個基于共識的明確定義,一般認(rèn)為“自愈”是一種穩(wěn)定和平衡的自我恢復(fù)調(diào)節(jié)機(jī)制,抑制自毀或者說抑制事物的衰減即自愈.結(jié)合自愈是一種穩(wěn)定和平衡的自我恢復(fù)調(diào)節(jié)機(jī)制可知,轉(zhuǎn)換過程1-3符合自愈的特點,再結(jié)合抑制自毀或者說抑制事物的衰減即自愈,可知,過程4-5也屬于自愈的范疇.

通過對系統(tǒng)工作模式轉(zhuǎn)換過程的分析可知,轉(zhuǎn)換過程1-5均屬于自愈控制的研究范疇.從這個角度分析,自愈控制是包含容錯控制的,此結(jié)論與第3.1節(jié)提及的自愈控制的目標(biāo)層次是相呼應(yīng)的,容錯控制屬于自愈控制的研究范疇,為實現(xiàn)自愈控制提供了先決條件,研究容錯控制是實現(xiàn)自愈控制的基石.

5 自愈控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)與研究范疇

自愈控制系統(tǒng)的實現(xiàn),受制于監(jiān)測診斷系統(tǒng)的完善程度、關(guān)鍵設(shè)備的自動化程度、通信系統(tǒng)的可靠程度以及控制方法的先進(jìn)程度等諸多因素.近年來,監(jiān)測診斷系統(tǒng)逐漸完善、設(shè)備自動化程度大大提高、通信系統(tǒng)持續(xù)升級和智能化控制方法等技術(shù)在各領(lǐng)域中得到應(yīng)用,極大提升了對所要控制的被控系統(tǒng)的快速感知與精準(zhǔn)協(xié)調(diào)控制能力.在先進(jìn)技術(shù)的支撐下,本文總結(jié)出的自愈控制系統(tǒng)的基本架構(gòu),如圖10所示,大體上可以分為自檢測與自診斷和自決策與自恢復(fù)兩部分.

圖10 自愈控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)圖Fig.10 Basic architecture of the self-healing control system

自檢測與自診斷部分主要包括測量感知、測量信號的處理、狀態(tài)診斷、故障診斷和故障類型庫5個單元:測量感知單元主要是利用測量及感知技術(shù)將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合、共享,為自愈控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供有效的數(shù)據(jù)信息支撐;測量信號的處理單元是用于濾除測量的信息數(shù)據(jù)中冗余的數(shù)據(jù),并重構(gòu)不能直接獲得的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息;狀態(tài)診斷單元則是在線評估系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和預(yù)估潛在的故障風(fēng)險水平;故障診斷單元是通過對故障運(yùn)行狀態(tài)的分析獲得故障信息;故障類型庫主要存儲已知的故障信息,也可以通過“學(xué)習(xí)”來發(fā)現(xiàn)被控系統(tǒng)中新的故障信息,并把這些新的故障信息在線添加在故障類型庫中,所以,故障類型庫將積累不同類型的故障信息,為故障的快速診斷提供支撐.

自決策與自恢復(fù)部分主要是基于數(shù)據(jù)信息分析的結(jié)果,在系統(tǒng)發(fā)生故障或狀態(tài)退化時快速制定和形成恢復(fù)及優(yōu)化方案.自愈控制策略庫主要存儲已知故障的自愈控制策略,也可以在線存儲策略形成單元對未知故障采取的新的自愈控制策略.也就是說自愈控制策略庫具備在線提取、存儲和更新自愈控制策略的功能,為快速恢復(fù)及優(yōu)化被控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)提供支持.“策略形成”主要包括預(yù)防控制策略、恢復(fù)控制策略和優(yōu)化控制策略,其中,潛在的故障風(fēng)險水平的信息促使預(yù)防控制策略的形成;在線評估系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息促使優(yōu)化控制策略的形成,故障信息促使恢復(fù)控制策略的形成;“策略決策”的目的是綜合被控系統(tǒng)狀態(tài),從形成的(故障預(yù)防、優(yōu)化控制和故障恢復(fù))策略中選擇出“最優(yōu)自愈控制策略”.

自檢測與自診斷和自決策與自恢復(fù)兩大部分通過相互協(xié)作,共同完成對被控系統(tǒng)的自愈控制目標(biāo).其具體過程可描述為:測量感知單元測量被控系統(tǒng)的狀態(tài),并把獲得的被控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息傳輸給測量信號的處理單元,測量信號的處理單元對獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行一系列的處理之后,狀態(tài)診斷單元再根據(jù)測量信號的處理單元輸出的信息數(shù)據(jù)對被控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷,評估其運(yùn)行狀態(tài)和潛在的故障風(fēng)險水平:當(dāng)狀態(tài)診斷結(jié)果為正常、潛在的故障風(fēng)險水平較高或退化狀態(tài)時,狀態(tài)診斷單元將信號傳輸?shù)阶詻Q策和自恢復(fù)模塊;當(dāng)狀態(tài)診斷單元的結(jié)果為故障時,狀態(tài)診斷單元將信號傳輸?shù)焦收显\斷單元.根據(jù)狀態(tài)診斷單元和故障診斷單元的結(jié)果,自決策和自恢復(fù)部分會做出如下4種對應(yīng)動作:

1) 若狀態(tài)診斷結(jié)果為系統(tǒng)處于正常狀態(tài),則“策略形成”單元會根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)形成最優(yōu)的靜態(tài)的“優(yōu)化控制策略”;

2) 若狀態(tài)診斷的結(jié)果為動態(tài)系統(tǒng)發(fā)生某種潛在的故障風(fēng)險水平較高,則“策略形成”單元會根據(jù)系統(tǒng)潛在的故障風(fēng)險水平形成“故障預(yù)防策略”;

3) 若狀態(tài)診斷結(jié)果為系統(tǒng)處于退化狀態(tài),“策略形成”單元會根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)的退化程度形成動態(tài)的“優(yōu)化控制策略”;

4) 若狀態(tài)診斷的結(jié)果為被控系統(tǒng)處于故障狀態(tài),則利用“故障診斷”單元對故障狀態(tài)進(jìn)行分析診斷,獲得故障信息,獲得故障信息的方式有兩種:第1種,針對已知的故障類型,經(jīng)過匹配機(jī)制,直接從故障類型庫中提取故障信息;第2 種,對于未知的故障類型,則需要故障診斷單元進(jìn)行自適應(yīng)診斷,如果可以獲得故障信息,將此故障信息上傳至故障類型庫并增加為已知故障類型,同時傳給“策略形成”單元;如果無法獲得故障信息,則采取緊急停機(jī)等方式進(jìn)行應(yīng)急處理.對應(yīng)獲取故障信息的兩種不同的方式,其“故障恢復(fù)策略”的形成也有兩種方式:針對已知故障類型,“策略形成”單元直接從自愈控制策略庫中提取對應(yīng)的“故障恢復(fù)策略”;對于未知的故障類型,“策略形成”單元根據(jù)故障診斷單元提供的未知故障的信息,形成新的“故障恢復(fù)策略”,并將其上傳至自愈控制策略庫中存儲.

“策略形成”單元通過上述對應(yīng)關(guān)系,分別形成“故障預(yù)防策略”、“優(yōu)化控制策略”和“故障恢復(fù)策略”.由于被控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)比較復(fù)雜,運(yùn)行狀態(tài)交叉的情況時有發(fā)生,例如:被控系統(tǒng)即處于退化狀態(tài)又處于高潛在故障風(fēng)險水平的情況下,“策略決策”單元將通過合理的決策方式從已形成的控制策略中決策出“最優(yōu)自愈控制策略”,作用于被控系統(tǒng),達(dá)到實時優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)防故障的發(fā)生和對故障進(jìn)行抑制和消除的目的,以此提升系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平.

綜合對自愈控制的應(yīng)用領(lǐng)域的研究和對自愈控制與容錯控制關(guān)系的分析,本文初步界定的自愈控制的研究范疇包括優(yōu)化控制、容錯控制、故障診斷、監(jiān)測系統(tǒng)、冗余系統(tǒng)、故障機(jī)理和決策方法,如圖11所示.

圖11 自愈控制研究范疇的示意圖Fig.11 Schematic diagram of the research category of selfhealing control

6 總結(jié)與展望

本文通過對自愈控制的應(yīng)用領(lǐng)域的研究,總結(jié)了自愈控制的特征、功能和研究范疇等基本特性,給出了自愈控制系統(tǒng)的定義及其基本架構(gòu),并將它們作為描述自愈控制和對自愈控制進(jìn)行理論研究的基點.同時,本文從發(fā)展歷程、從屬關(guān)系和研究側(cè)重點等方面分析了自愈控制與容錯控制的不同之處,使我們從更加完備和綜合的角度來認(rèn)識自愈控制這一整體,但自愈控制所研究的內(nèi)容與其他控制方法并非是割裂的關(guān)系,它們具有共有的特征:整體性、目的性、反饋性和信息性等.總體來說,自愈控制系統(tǒng)將監(jiān)測診斷與先進(jìn)的控制方法有機(jī)地結(jié)合在一起,通過實時監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài),根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)通過先進(jìn)的控制方法達(dá)到一定的控制目標(biāo).

由于自愈控制系統(tǒng)還處于概念提出和形成階段,要成為相對獨立的研究方向,還有不少工作要做.

如何使系統(tǒng)在運(yùn)行中完成對故障的預(yù)防、抑制和消除,同時恢復(fù)系統(tǒng)性能將成為未來研究的重點.自愈控制系統(tǒng)涉及到多學(xué)科、多專業(yè)的理論和技術(shù),它是先進(jìn)的信息處理技術(shù)與現(xiàn)代裝備高度融合的體現(xiàn).加強(qiáng)自愈控制理論的研究和應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā),對提高系統(tǒng)性能、延長系統(tǒng)壽命、預(yù)防系統(tǒng)故障、減少系統(tǒng)的維修成本、提高系統(tǒng)的技術(shù)保障水平具有重要意義.結(jié)合自愈控制的特征、功能、定義及基本架構(gòu),筆者認(rèn)為自愈控制在以下領(lǐng)域具有較大的發(fā)展?jié)摿?1)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng):它以網(wǎng)絡(luò)作為媒介,其通信方式減少了控制系統(tǒng)中信息傳輸?shù)牡赜蛳拗坪蛡鬏敵杀?但也使得控制系統(tǒng)中存在更多的隱患,除了傳統(tǒng)的故障外,還面臨著網(wǎng)絡(luò)攻擊對系統(tǒng)的威脅等安全問題[64-68].在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中可以有效地將通信網(wǎng)絡(luò)的自愈系統(tǒng)和自愈控制相結(jié)合,通過監(jiān)測系統(tǒng)實時獲得網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的狀態(tài),利用自愈機(jī)制來抑制或消除外部攻擊造成的故障和系統(tǒng)內(nèi)部的可修復(fù)的故障,并恢復(fù)系統(tǒng)性能;2)分布式控制系統(tǒng):它采用分散控制和集中管理的基本設(shè)計思想,采用分散遞階結(jié)構(gòu)形式.由于分布式控制系統(tǒng)一般具有多個子系統(tǒng),子系統(tǒng)之間相互耦合,對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實時的監(jiān)測,因而可以通過設(shè)計的自愈控制方法自動地抑制或消除部分常見的故障,在不采取停機(jī)措施的情況下恢復(fù)系統(tǒng)的性能,可節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本;3)智能控制系統(tǒng):智能控制是具有智能信息處理、智能信息反饋和智能控制與決策的控制方式.若智能控制系統(tǒng)與自愈控制相協(xié)作,即自愈控制利用智能控制系統(tǒng)的優(yōu)勢,優(yōu)化對故障的預(yù)防、抑制或消除的效果,使智能控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的恢復(fù)系統(tǒng)性能的能力,可以提高智能控制系統(tǒng)對非正常狀態(tài)的應(yīng)對能力,使其具有更高的自治性.