容错控制（精选12篇）
容错控制 篇1
在工业自动化、机器人系统、武器系统、航空和航天等领域中,为了提高系统的可靠性,双机容错技术得到了普遍的应用和发展。双机容错是由两套完全同构的计算机系统组成[1],作为双机容错系统的控制核心—容错控制器是实现双机故障诊断和仲裁切换的关键机构。本文提出并实现一种基于FPGA的容错控制器,它的功能根据所设计双机容错系统的应用特点,不但实现了双机容错系统中故障的检测和诊断,且能根据诊断结果作出故障处理的仲裁结果,使双机能够及时得到实时判断结果,完成双机容错系统的切换重构工作。该方案有效地结合了FPGA器件的优势及特点,将其引入高可靠性嵌入式系统应用领域,降低了成本,提高了系统的可靠性。
1 双机容错系统结构
本文所设计的FPGA容错控制器应用于如图1所示的双模冗余热备份容错计算机系统。该双机容错系统其应用功能是通过CAN总线接受上位机发送的数据,通过双机容错系统的计算机解算处理后再经过RS422总线下传给接受方设备。
工作原理:该系统由计算机A和计算机B组成主备机,由交叉数据通道实现双机间的通讯,由FP-GA实现的容错控制器完成双机容错系统的部分故障检测、诊断和仲裁切换的任务。另外,A机和B机各有独自的外围控制逻辑和外设,这样即不会引起系统资源的竞争,增加了整体系统的稳定性。双机上电后,首先进行A、B机硬件自检,自检通过后,默认A机作为主系统,接受数据并将此数据和此次接受任务的标志发送至交叉数据通道固定单元,等待双机同步,B机作为备份机同样接受数据并将此数据和此次接受任务的标志发送至交叉数据通道固定单元[2],等待双机同步,然后两机从交叉数据通道中取出任务标志和对方接受的数据进行同步和比较,然后分别执行相同数据的解析任务。将任务标志和计算结果又送至交叉数据通道,两机又通过任务标志和结果数据的比较完成数据发送数据任务的同步和输出数据的比较检测。在接受和主备发送数据的比较中,若比较一致,程序由A机输出,比对不一致程序转到各自自检程序,根据自检结果和主备机标志切换正常计算机作为系统输出,系统转为单机运行。
另外,容错控制器还要实时监测软硬件心跳状态是否正常,若某台主机出现故障,根据故障机是否为当班机,进行相应的容错处理,包括是否请求无故障机切换为当班机、是否复位故障机等处理过程。
2 容错控制器设计
为实现所描述双机容错系统的整体监控和备份功能,本文提出的基于FPGA的容错控制器结构如图2所示。容错控制器根据所接收到的状态信号,判断单机在系统中的地位,并给出相应的输出信号,容错控制器包括:软件心跳检测模块WTD、硬件心跳检测模块ALE_WTD和仲裁判决模块Arbiter。
2.1 两主机负责处理的信号[1]
因为两主机与容错控制器的连接工作机制完全相同,这里只介绍主机A处理的信号:(1)发送周期性的脉冲信号wdi1给WDT,表示主机A处于正常工作状态;(2)通过ALE自动发送既定的脉宽到ALE_WTD,表示主机ALE信号正常;(3)通过主机A的IO口发送主机目前的主备机标志、比较结果标志、自检结果标志到容错控制器仲裁判决模块,等待仲裁判决处理。(4)接收来自仲裁判决模块Arbiter的脉冲信号RESET,以使主机A复位重启恢复故障;(5)接收来自仲裁判决模块Arbiter的中断请求信号Switch1_INT,表示当主机B发生故障且主机B之前是当班机时,请求主机A机接管工作;(6)接收来自仲裁判决模块的脉冲信号state1,表示系统中对等机主机B的工作状态,为主机A是否进入单机运行态做准备。
2.2 软件心跳检测模块(WTD)
程序跑飞、程序死循环等是常出现的软件故障,本设计中在容错控制器采用看门狗技术来检测此故障。看门狗WTD接受来自主机A的IO口发送的周期性脉冲信号wdi1,该脉冲信号对WTD计数器清零。当下一个clk(WTD内部时钟)周期到来时,WDT计数器重新开始计数。如果WDT计数超过某个值(即主机A在规定的时间周期内没有发送wd1脉冲),则认为主机A发生故障,WDT将发送wdo1信号至仲裁判决模块等待仲裁判决处理。
2.3 硬件心跳检测模块(ALE_WTD)
由于51单片机的ALE引脚,无论单片机是否访问外存,ALE都能在一定时间内提供至少一个上升沿或下降沿[3]。如果ALE信号不正常,那么可以确定CPU一定是出现了永久故障。本文设计两个看门狗(ALE_WTD)监测主机的ALE信号,当两主机的ALE不正常引起硬件不能喂狗时,溢出信号(ALE_wdo1=‘1’或ALE_wdo2=‘1’)送至仲裁判决模块等待仲裁处理。这种通过硬件喂狗方式来检测CPU故障的方法既可以节省单片机有限的IO口资源又不用设计专门的喂狗程序。
2.4 仲裁判决模块(Arbiter)
仲裁判决模块根据容错信号包括双机发出的自检信号(self_chk1和self_chk2)、数据一致比较结果信号(diff_chk1和diff_chk2)和软硬件心跳检测模块检测到的结果信号(wdo1和wdo2、ALE_wdo1和ALE_wdo2)这四组检测结果信号和双机发出的主备机状态标志(flag1和flag2),完成对双机状态的判断,最后给出切换请求、复位和对等机状态信号等系统重构信号。图3是主机A被容错控制器仲裁判断后的流程图。
由图3可以看出,四种输入信号self_chk1、diff_chk1、wdi1、ALE1中的任何一个被检测到不正常时,被判断为该机不正常,然后根据该机目前是否为主机(flag1=‘1’),若为主机,则申请切换B机为当班机(置switch2_INT=‘1’)并通知对B机对等机不正常(置state2=‘1’),同时复位A机。主机B的仲裁判决过程同主机A。通过在FPGA中利用硬件描述语言的进程并行模块语句和并行语句特点,实现此模块是很有效的方法。
3 系统实现
根据以上介绍,本文提出的容错控制器是在FPGA芯片上实现的,利用QuartusⅡ8.0,设计如图4所示的VHDL语言编译综合后的RTL级视图。WTD1和WTD2模块分别集成了对主机A和主机B的软硬心跳检测的看门狗模块,Abiter模块即为前面提到仲裁判决模块。这里为了满足系统中CPU及总线控制器等电路的复位信号要求至少200 ms的保持时间,增加了一个reset模块用它来专门处理保持200 ms的复位信号。在程序设计中考虑到输入异步产生的毛刺现象,设计中增加了clk信号作为全局时钟同步信号,充分解决了毛刺问题。[4]
图4中WTD1和WTD2功能相同,feed和ALE信号是被检测的两主机的喂狗信号和ALE信号,经过WTD1的看门狗监测后输出故障监测结果信号至Arbitry模块,Arbitry模块根据两主机的主备机标志信号flag1和flag2、自检信号self_chk1和self_chk2、比较信号diff_chk1和diff_chk2、由看门狗监测到的ALE错误信号CPU1_ERROR和CPU2_ER-ROR、和喂狗失败信号wdo1和wdo2判断仲裁后向两主机输出对等机状态信号state1和state2、切换请求中断信号switch1_INT、switch2_INT和复位信号reset1和reset2。reset1和reset2又经过Reset模块处理输出既定时间的复位信号至两主机系统的各个电路。
4 结果与讨论
本设计选用Altera公司的CycloneⅡ系列型号为EP2C8Q208C8的FPGA芯片,在Windows XP操作系统环境下使用该公司的开发软件Quartus II8.0作为EDA设计工具设计实现。时序仿真波形如图5所示。
由图5中看出,两主机输入的四组检测信号通过容错控制器的故障检测、诊断以及仲裁判断输出复位、切换请求等系统重构信号。例如图5中时间棒(Time Bar)所示:
当时间棒处于+221.88 ns时,容错控制器的WTD看门狗检测到输入信号wdi1由于出现高电平脉冲时间超过既定时间。在时间棒所指处出现“狗咬”,容错控制器根据此时的flag1为高电平,flag2为低电平,确定进行双机切换,置switch2_INT高电平,置switch1_INT为低电平,表示要求主机2接管当班机任务;state1置高电平,state2置为低电平,表示通知主机B对等机(A机)不正常;并置reset1为高电平十个脉冲信号,表示对主机A复位保持一定时间。
其他三个时间棒所指点容错处理结果,由图5容易看出结果也满足设计要求。通过以上时序分析,本文设计的容错控制器满足双机容错系统的容错控制功能的要求,引入了clk全局时钟后信号未出现毛刺,满足系统性能需求。
5 总结
该容错控制器应用于某设备双机容错系统上进行验证,满足系统需求。由于该双机容错系统对数据处理的实时要求比较高,采用本文设计的容错控制器具有的实时监测,实时仲裁等特点,保证了双机容错系统切换时的准连续性;另外,通过FPGA硬件实现仲裁检测任务减轻了双机容错系统软件任务的负担,保证了容错系统不会由于采用复杂的软件实现仲裁判决带来的不可靠性影响。
摘要：根据双机容错系统故障检测和诊断、仲裁技术的常用方案及特点,结合某在研双机容错系统,提出了一种基于FPGA容错控制器的设计方案。仲裁模块作为容错控制器的核心模块,可根据双机工作的监测信号负责完成主备机切换功能。为了实现软硬件心跳故障监控功能,在FPGA内嵌了WTD模块。同时,全局时钟引用于各个模块后,良好消除了输出信号的毛刺问题。实验结果表明,该设计方案满足系统要求,可靠性较好。
关键词：双模容错计算机,FPGA,故障检测与诊断,仲裁
参考文献
[1]李迅,李洪峻,刘庆敖.双模容错计算机的设计与实现.计算机工程,2008;9(17):240—241
[2]朱朝晖,张崇峰,陈卫东.空间双机容错计算机系统研究.上海航天,2004;(6):18—23
[3]王幸之,忘雷.单片机抗干扰应用系统抗干扰技术.北京:北京航空航天大学出版社,2000
[4]张志杰,王翔.如何解决FPGA电路设计中的毛刺问题.世界电子元器件,2004;3(11):68272—68275
容错控制 篇2
水下无人潜航器航向H∞鲁棒容错控制器设计
In order to improve the security and reliability for autonomous underwater vehicle (AUV) navigation, an H∞ robust fault-tolerant controller was designed after analyzing variations in state-feedback gain. Operating conditions and the design method were then analyzed so that the control problem could be expressed as a mathematical optimization problem. This permitted the use of linear matrix inequalities (LMI) to solve for the H∞ controller for the system. When considering different actuator failures, these conditions were then also mathematically expressed, allowing the H∞ robust controller to solve for these events and thus be fault-tolerant. Finally, simulation results showed that the H∞, robust fault-tolerant controller could provide precise AUV navigation control with strong robustness.
作 者：程相勤 曲镜圆 严浙平边信黔 Xiang-qin Cheng Jing-yuan Qu Zhe-ping Yan Xin-qian Bian 作者单位： 刊 名：船舶与海洋工程学报（英文版） 英文刊名：JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND APPLICATION 年，卷(期)： 9(1) 分类号：U6 关键词：AUV navigation control robust H∞ fault-tolerant control gain variations LMI热控系统的容错设计 篇3
【摘 要】通过对热控系统故障导致机组跳闸原因的分析，提出采用容错设计来提高热控系统的可靠性。讨论了冗余配置、逻辑优化、信号鉴别、坏值剔除、容错控制、软测量技术与故障诊断等几种容错设计方法。
【关键词】逻辑优化；容错控制；软测量技术；故障诊断；冗余配置；可靠性
热控系统的正确与完善，是大机组安全运行的基础。通过故障分析发现，大多数故障都是局部的设备故障所引起。为什么局部故障会导致机组跳闸？热控系统的整体可靠性该如何评价？有没有科学的方法来避免热控系统的误动？
1.热控系统可靠性不高的原因
1.1设计上对可靠性考虑不够
虽然近年来热控系统在设计、安装、调试方面都有了很大的进步，但热控系统在可靠性上还是存在着不足，由热控设备小故障所造成的机组非计划停运事件常有发生。尤其是新建机组投产后的前几年，热控专业通常都要进行大量的改进和完善工作。
1.2单点信号保护是系统的隐患
由于设备安装位置条件的限止或传统设计上的原因，在热工联锁保护系统中还大量存在着使用单点信号作保护的情况，这些单点信号造成了保护系统误动甚至机组跳闸，降低了热控系统的可靠性。某300MW机组磨煤机保护跳闸逻辑中，“一次风与炉膛差压低低”动作将跳所有磨煤机，设计中仅采用一个逻辑开关，误动造成机组跳闸的概率非常大。
分析认为：温度测量系统、绝对振动信号、位置开关、变送器等，由于故障时常发生，不宜用作单点保护。同时，单点保护还大大增加了因检修维护不当造成误动的风险。
1.3冗余不足
DCS的设计应采用合适的冗余配置、合理的分散度，使其具有高度的可靠性。系统内任一组件（电源、控制器、通讯模件、I/O模件、交换机、网络等）发生故障，都不应影响整个系统的工作。但实际运行中的DCS却很难完全满足上述要求，冗余失效和局部故障导致机组跳闸的事故时有发生。
有些系统虽然是按冗余系统设计，但并未做到真正的冗余。比如，将冗余的通讯口做在了同一块模件（有的甚至在同一个插接件），将冗余的保护信号组态在了同一块模件，当模件（插接件）发生故障时冗余失效。
对于冗余的独立取样系统同样存在以下问题：虽然设计了冗余的变送器，但采用了同一取样点，甚至共用了同一个一次阀门，或共用了同一个排污门。某600MW机组整套启动阶段发生的2次MFT，都是由于取样系统的冗余存在问题。
上述问题的存在，与热控系统的投资、技术手段有关，更与热控系统的设计理念有关。
2.热控系统的容错设计
2.1提高热控设备的冗余度
为了使热控系统具有较高的可靠性，合理的投入是很有必要的，也是最基本的保证。合理的投入是指选用高质量的热控设备，以及足够的冗余度。
保护信号首先要可靠，尤其是一次测量元件。如果选取的测量信号本身不可靠，将其用作跳闸信号时则会大大增加误动的概率。如大型辅机的电机线圈温度，目前已有许多机组将其由原来的跳闸改为报警，因为大量的运行实践表明，线圈温度测量信号的故障率非常高，辅机启动时常常不得不将故障的线圈温度测量信号强制撤出。
冗余也就能容错，因此，引入冗余信号、避免单点故障引起跳机是常见的容错设计方法。对重要开关量输入信号进行冗余逻辑判断，已经成为火电厂控制系统普遍采用的设计准则，如采用三选二正确性判断逻辑。当重要逻辑信号由模拟量信号转换产生时，对外部模拟量输入信号通常采用三取中冗余判断，并设置输入信号量程及变化速率等坏信号检查手段。对重要逻辑输出信号进行正确性检查判断，常采用二并、二串、二并二串的结构。并联输出降低了拒动的可能，但提高了误动的可能。串联输出降低了误动的可能，但提高了拒动的可能。采用二并二串的结构，可实现高可靠性的冗余控制输出。
2.2硬件优化和软件优化
在许多情况下，可以通过对硬件和软件进行适当地优化配置，使控制系统可靠性得到提高。
在热控系统设计中，在进行控制模件任务分配时，应注意将成对或多台组合配置的辅机控制（如磨煤机、给水泵、循环水泵、两侧烟风系统等）分配在不同控制模件中实现，以降低模件失效所带来的影响。过去曾出现过许多因模件分配不当，导致冗余失效的工程实例。如某600MW机组DEH系统3路“安全油压力低”信号共用了同一块模件，当该模件异常时导致汽机跳闸。
2.3引入故障鉴别信号改善单点保护
应尽量避免单点信号用于保护，当不得不采用单点信号作保护时，建议应引入故障鉴别信号。
对不可靠的单点信号保护（比如汽机振动）增加逻辑条件后，新加入的任何条件（与原信号相与）都将改变原来的保护机理。但如果采用引入故障鉴别信号的逻辑优化方式，原来的保护机理未改变，也就不会增加保护系统拒动的风险。如对于汽机轴向位移单点保护，可以引入汽机高中低压胀差作为故障鉴别信号。
2.4保护信号故障剔除
发电厂热工辅机保护逻辑中，常采用轴承和电机线圈的温度测量信号，当测量信号超过定值时触发保护动作，但由于温度测量回路中的热电阻很容易发生接触不良或断线的故障，使得保护误动。通常可以利用DCS I/O通道的故障诊断功能，如开路检测、超量程检测等对保护逻辑增加信号正确性判断，出现异常时及时将故障信号从保护回路中退出。对缓慢变化的温度信号进行正确性判断，速率鉴别是最有效的方法。
2.5容错控制技术的研究
目前，容错控制技术在火电厂热工自动控制系统的应用，大多是针对模拟量控制系统变送器、执行器的故障。
容错设计方法将特定的容错控制技术应用于火电厂热工自动控制系统的设计，更广泛地探讨提高控制系统可靠性的方法和途径。比如在模拟量控制系统中采用的控制指令方向性闭锁、禁开/禁关逻辑保护措施，以及在RB控制策略中的容错控制回路等等。
2.6软测量技术与故障诊断
将软测量技术应用于热工保护系统的故障诊断，可以大大提高热控系统的容错控制能力。
软测量技术是一门新兴的应用技术，它是通过构造数学模型使不可测变量可视化，并形成“推断控制”。目前，软测量技术在电厂热工过程中的研究和应用尚处于起步阶段，主要试图解决一些热工测量上存在的难题，如烟气含氧量、飞灰含碳量等等。
本文在前面提出，可以引入汽机高中低压胀差作为汽机轴向位移单点保护的故障鉴别信号。事实上，汽机轴向位移还与许多汽机参数相关，比如汽机调节级压力P。若利用软测量技术，建立汽机轴向位移与调节级压力P之间的对应关系曲线，也是实现轴向位移故障信号鉴别的另一种思路。
尽管软测量技术在电厂的应用还是初步的尝试，但已经显示出它的巨大潜力。由于软测量选取可靠性较高的参考信号，由DCS系统构造的数学模型稳定，是非常理想的主保护鉴别信号。
3.结束语
对火电厂热控系统的可靠性研究，是当前热控专业技术发展的热点之一。在热控系统中引入容错设计方法，为逻辑优化提出了明确的目标；我们可以按容错的要求，主动梳理控制逻辑，寻找保护系统中的薄弱环节，有针性地进行完善。我们可以引入热控系统容错度的概念，作为评价热控系统设计的量化指标；让热控系统在设计、制造两个重要环节中的优势显现出来，引导设计者、设备供应商去追求更高的可靠性目标。
容错控制 篇4
常规的控制回路是一般的过程控制系统的基础。回路之间相互耦合, 当控制回路某一局部发生故障时, 比如阀门发生故障, 整个控制回路的性能都受到影响, 严重的甚至使得整个控制系统瘫痪。基于此, 快速有效的解决控制回路中出现的故障, 能够提高整个控制系统的性能。然而对于连续作业系统来说, 系统设备的维系和更换无疑影响到了生产, 因此, 基于控制补偿的思想对系统进行主动的容错控制, 从而确保控制系统正常工作。
2 控制系统仪表故障分析
随着计算机技术的不断发展, 计算机控制系统被越来越多的应用到工业工程, 虽然其可靠性不断提高, 但是还存在着传感器与执行器可靠性不足的问题, 事实上, 控制系统的失效很大程度上是由于执行器与传感器存在故障造成的。所以, 对传感器的故障检测与容错控制无疑有着非常重要的意义和作用。
2.1 传感器存在故障分析
传感器控制属于多输入多输出非线性动态控制, 传感器发生发生.故障模型:
其中, x∈Rn:状态矢量;u∈Rm:输入矢量;f (x, u) 是系统的非线性模型;模型的不确定性由η (x, u) 表示。输出函数为g (x, u) 。
工业工程中, 基于外界因素以及传感器自身特征, 传感器故障分成两类, 软故障与硬故障。软故障包括了传感器精度下将故障, 漂移故障和偏差故障;硬故障主要指的是完全故障。由于实际工业工程中, 相对于硬故障, 软故障容易被检测, 因此危害性更大。
2.2 执行器存在故障分析
在整个系统控制回路的终端是执行器。执行器对于整个控制系统的性能起着非常重要的作用。在工业工程中最常见的执行器是阀门。由于阀门的故障或者使用不当, 经常使得工业生产不能正常进行, 严重的甚至会发生事故。同时, 控制系统中, 很多关键部门阀门不但非常贵, 并且更换也不方便, 从而阀门的故障分析是非常重要的。
执行结构, 阀门定位器以及调节机构共同组成了阀门。控制器的输出信号通过执行结构被展板成为控制阀门的推理, 从而完成了从推理力矩向角位移信号的转变;位移信号由调解机构影响流通面积, 从而使得流体流量改变。控制系统的性能通过阀门的定位器得到改善, 定位器和阀杆位移量构成了控制系统的副回路控制, 实现了对摩擦力起到了克服的作用。利用阀门的定位器和被控变量构成串级的控制。
根据阀门的机构将其故障进行分类, 可以分成了一般外部的故障, 执行机构故障, 调节机构故障, 定位器故障等。例如当系统的压力供给下降时, 造成阀门的突变故障;当阀门的阀杆传感器发生故障时, 会造成衰减故障;当阀杆的移动范围超过正常阀杆的移动范围时, 造成了阀门堵塞, 使得阀门出现衰减故障。
3 主动补偿容错的控制方法
在复杂的控制系统中, 控制回路与负反馈控制的耦合造成了在整个控制回路中故障的迅速传播, 所以故障并不会造成控制系统的较大的变化, 基于此, 不容易实现对闭环控制系统的在线故障调节。工业工程中存在着很多可以预见的故障以及经常发生的故障。将这些故障构建基于故障特征的故障模型, 通过合理的主动容错控制, 并将其存储在系统的容错控制库中。系统可以根据故障模块对工作进行诊断, 从而对故障的位置进行判断并隔离故障。因此, 在实际工业工程中仪器的主动容错控制得到了越来越多的应用。基于此, 构建基于故障检测, 故障诊断以及主动补偿容错的控制方法。主动补偿容错控制方法包括:系统基础闭环的控制;故障诊断和补偿容错以及人机进行监督管理。
系统基础闭环控制是一个传贵控制回路, 由控制器, 执行器, 信号转换以及传感器构成。计算机控制, 集散控制系统等是常用的基础闭环控制。事实上, 在工业控制中, 常规控制回路占了九成以上, 当回路控制发生故障时, 由于回路间的耦合关联, 会造成整个系统受到影响。而系统的基础闭环控制能够稳定工况, 同时, 也会影响着故障的诊断和容错控制策略的实施。
故障诊断与补偿容错实现了工作的检测, 故障的诊断以及主动补偿容错。利用自适应阈值和加权移动平均残差的故障检测法, 对系统的工作状态进行检查。由于在整个系统中不同故障在各回路中传播方式不同, 因此, 可以多残差的描述故障特征对故障进行诊断。利用系统的模型估计值和系统测量值的偏差对故障进行描述。在系统正常的控制器和历史故障容错补偿库之间安装控制策略协调器。当系统正常工作时, 系统采用正常的控制策略。一旦系统发生故障, 那么系统的容错控制器被启动, 通过对故障的判断与诊断, 相应历史故障补偿容错控制器被切换到当前的控制, 确保整个系统的正常运行。
参考文献
[1]周东华, 叶银忠.现代故障诊断与容错控制[M].北京:清华大学出版社.2006.
教育即容错 篇5
——做个会偷懒的优秀教师
11月13日，在杭州“千课万人”全国小学数学学导课堂教学研讨观摩活动中，十分有幸地听到了华应龙老师关于《教育即融错》的专题讲座，华老师的讲座让我如梦初醒，猛然意识到了自己与“教师”两字的差距。即便是现在写听后感，用字用词都是如此苍白无力。
讲座一开始，当我看到大屏幕上“做个会偷懒的优秀教师”这几个字时，有些怀疑这话和这讲座有什么关系，也有些不屑，心想：这道理我早明白了。但是，当华老师从他学车的事讲起时，好奇心又驱使我饶有兴趣地聆听下去。这一听让我受益匪浅，这一听让我心灵颤动，这一听更让我无地自容。他能从生活中的小事里悟出教育中的大道理，继而将此分享给所有从事教育工作的人，而我居然无知到未开始就不以为然。
同样学车，我只是机械地练移库，但华老师却从中悟出了熟背死规则在教学中的弊端，虽然能在短时间内让你顺利通过眼前的学科测试，但不基于理解的死记硬背很快便会淡忘，对知识的掌握和运用毫无意义。
练场地时，我也是拼命记住师傅的话，找到师傅给的那几个点，每天反复地地练习，师傅勤快认真，我也很想学，但是却学不好，我曾试着寻找答案，却不了了之。而华老师却又从中明白了这么一个道理：技能是没办法告诉的，经验也不是可以手把手教的。从而联想到，在教学中，教师过分地扶手，不给孩子们经历尝试犯错后自己领悟的机会时，其实忽视了一个客观事实，那就是：当一个人彻底明白是怎么一回事后，才不会再犯错。用华老师的话讲就是：“有些错误总是要犯的，犯得越早，损失越小。”
重庆立法者回应“容错机制”质疑 篇6
这次，是缘于重庆为促进内陆开放而创建容错机制的立法尝试。
重庆市人大常委会审议通过的《重庆市促进开放条例》1月1日正式施行。这是全国首部旨在促进开放的地方性法规，因而格外受到关注。而引发争议的是，开放条例中的容错机制明确规定：开放工作发生失误，未达到预期效果，或者造成一定损失，但符合以下三个条件的，可以减轻或者免除有关人员的责任：一、工作措施的制定和实施程序符合有关规定；二、个人和所在单位没有牟取私利；三、未与其他单位或者个人恶意串通，损害公共利益。
对此，赞许者说，此举能保障“创新者无罪”，从而推动改革创新，而质疑者认为容错机制会助长拍脑袋决策和资源浪费。
“有了这个地方‘王法’，重庆的各级政府还有什么不敢想的?还有什么不敢做的?真为重庆的老百姓捏着一大把汗哦!”一位网友说。
究竟重庆的这一做法出于何种想法?立法者又如何看待这些质疑?《瞭望东方周刊》记者近日独家专访了重庆市人大财经委员会副主任委员罗先成。
使“领头羊”不成为“替罪羊”
《瞭望东方周刊》：重庆为什么要以立法形式建立容错机制?
罗先成：为给重庆扩大开放、建设内陆开放型经济提供良好的法治环境，重庆市人大常委会2008年3月启动了促进开放的地方立法工作。 容错机制的设立，重庆借鉴了深圳、西安立法探索的成果。深圳在2006年出台的《深圳经济特区改革创新促进条例》明确规定了三种改革创新工作未达到预期效果的免责条款。
实际上，在促进开放立法、建立容错机制的背后，是重庆深入改革发展中遇到的“难言之隐”。
重庆和成都成为全国统筹城乡发展综合配套改革实验区后，重庆在开展城乡统筹改革的探索中面临的严峻问题在于，很多改革一旦施行会与现行国家法律法规有碰撞，一些基层干部认为改革难度大，产生了畏难情绪，不敢去闯去试，而一些开始探索改革的基层干部又在中央有关部门严格执行法律法规的执法检查中受到批评，从而改革的积极性受到影响。
《瞭望东方周刊》：也就是说，容错机制的设置是为了消除改革者的顾虑，使他们敢于创新?
罗先成：是的。重庆制定开放条例时正值我国改革开放30周年之际，回顾30年历程，是一个制度碰撞的过程，新制度对旧制度进行变革。30年来，改革开放中敢干敢闯的人中有不少承担了责任，为改革开放付出了成本，过去很多人只看到为改革付出的物质成本，而往往忽视了一些人为改革付出的个人命运成本。
而如今进一步改革开放面对的国际国内形势更加复杂、社会转型期的矛盾更加突出，改革开放的风险性、困难性、复杂性加剧。要开放就必然涉及改革创新，但“大胆地吃螃蟹”就有可能犯错。重庆开放立法特别设置容错机制就是为免除创新者的后顾之忧，保护开放工作的积极性，鼓励大胆探索。
建立容错机制就是为了保证开放创新的“领头羊”不成为“替罪羊”，激励官员“大胆地闯，大胆地试”，通过容错机制去保障“创新者无罪”。宽容失败正是鼓励大胆改革创新，因而保留这项制度是十分必要的。
重庆制定开放条例就是向全社会传递出一种积极的信号，向世人、重庆各级干部昭示重庆改革开放的坚定决心。深圳改革创新促进条例出台至今，免责条例还没有实施一次，可见容错机制的意义不在条文本身，而是坚定改革开放的决心。
防止“决策时拍脑袋，执行时拍胸脯，失误时拍屁股”
《瞭望东方周刊》：据世界银行的估计，“七五”到“九五”期间，我国投资决策失误率在30％左右，资金浪费及经济损失大约在4000亿～5000亿元。一些质疑者担心，容错机制会加剧拍脑袋决策和资源浪费，对此，你怎么看?
罗先成：在立法过程中，重庆充分考虑了这一情况，对在开放工作中出现的决策失误责任适用“容错”时，充分吸纳了民意，相关条款对“容错”范围作了明确限制，为预防腐败设立了“防火墙”。而政府具体决策投资行为发生失误不属于“容错”范围。
此外，为了规范政府的决策行为，强化决策责任，减少决策失误，保证决策质量，重庆市政府早在2005年便制定了《重庆市政府重大决策程序规定》，从源头上防止“决策时拍脑袋、执行时拍胸脯、失误时拍屁股”的“三拍”现象。这是我国第一个规范政府重大决策程序的政府令，主要约束行政首长的决策行为，决策失误的依照该规定将问责行政首长。
《瞭望东方周刊》：在中央4万亿刺激经济方案的背景下，各地政府“跑步前进”争抢项目，如住房和城乡建设部五天内便收到500多宗各地提交兴建污水处理厂的立项申请，历来罕见。但有专家指出，目前内地已建好的1400座污水处理厂中，有一半在“晒太阳”。此时，重庆建立容错机制会不会让有些干部借开放之名行“瞎折腾”之实?
罗先成：与此相比，在我看来，目前一些地方政府部门和官员无所作为，“干的不如看的”，“一慢二看三通过”，死气沉沉、活力不够的情况，才是阻碍深化改革开放的更主要影响因素。因此，你说的情况要尽力避免，但创新更需要鼓励。
《瞭望东方周刊》：容错机制应是行政问责制的补充机制，在全国尚未建立完善的行政问责制背景下，重庆建容错机制是否太过超前?
罗先成：重庆2004年在全国率先建立行政首长问责制，先后启动50次，98名官员受到问责，在解决官员“情政”和“怠政”上取得很好效果。而2008年以襄汾溃坝事故和三鹿问题奶粉事件为标志，我国“问责风暴”显现出鲜明的特色，问责范围之广、问责级别之高为近年来所罕见。我国行政问责的制度建设也走上新高度。重庆的容错机制是与行政问责制、重大决策程序规范等一系列制度配合实施的。
当然，社会上对容错机制的争议，我们也会全面客观地面对，真理越争越明，社会上的争议也让我们今后更加审慎地执行容错机制。
罚款要“打开天窗说亮话”
《瞭望东方周刊》：《重庆市促进开放条例》共49条，涵盖了许多方面，但是单单容错机制这一条引起如此广泛的争议，以至于大家都忽略了其他方面的内容，你如何总结条例的其他突破之处?它还在哪些方面鼓励了开放?
罗先成：我觉得比较大的突破是《条例》从加强开放制度建设出发，对改善政务环境作了非常具体的规定。
《条例》把监督政府服务态度上升到地方性法规层面，对政府部门服务方面作出很多细节上的规定。比如到政府某部门办证，第一次去被告知缺某个材料，第二次去又被告知还差其他材料。在以前，企业或市民遇到这种情况顶多就是投诉，而工作人员最多就是因态度不好而受批评了事。这部条例正式通过实施后，再出现上述情况，政府部门工作人员就是违法了，将被追究法律责任。
在行政执法方面，《条例》对法律、法规和规章规定的行政处罚自由裁量权进行了细化，并公布实施，压缩行政处罚自由裁量空间，从源头上防止滥用行政处罚自由裁量权。
容错控制 篇7
关键词：容错,容错控制,策略
1 容错控制介绍
容错（Tolerant）就是容忍错误，是指系统的一个或多个关键部分发生故障时，通过采取相应措施，能够维持其规定功能，或在可接受的性能指标下，保证系统继续安全完成基本功能。随后，容错技术得到迅速发展，并在化工、电力、冶金等行业得到了广泛的应用。容错既包括对人失误的容错，也包括对系统中关键部分发生故障时的容错，已成为提高现代设备质量了可靠性的重要手段之一。容错控制FTC(Fault-tolerant Control）的概念于1986年9月被正式提出。它的基本思想是利用系统的冗余资源来实现故障容错，即在某些部件发生故障的情况下，通过系统重构等，仍能保证系统按原定性能指标继续运行；或以牺牲性能损失为代价，保证系统在规定时间内完成其预定功能。
2 容错控制方法分析
容错控制方法分为硬件冗余和解析冗余两大类。硬件结构可通过对重要部件及易发生故障的部件提供冗余备份或采用智能结构来实现故障容错；解析冗余是利用系统中不同部件在功能上的冗余性来实现故障容错。目前，基于解析冗余的容错控制发展成为两大类主要的方法：鲁棒容错控制和重构容错控制。
2.1 鲁棒容错控制
鲁棒性是指控制系统在一定（结构或大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为指标设计得到的固定鲁棒控制器称为鲁傣控制器。控制系统的各种故障都将导致数学模型的这样或那样的变化，当然希望设计一个固定的控制器实现对某些故障的容错，鲁棒容错就是这样一类容错控制方法。鲁棒容错控制器在设计时就考虑一些可能的故障，使设计的控制器在正常和故障状态下都能保持稳定工作或维持一定的性能，即利用系统的冗余关系，使设计的控制器对某些部件失效、传感器失效或执行器失效引起的参数变化不敏感。鲁棒容错控制的优点是故障发生时能够及时实现容错控制，不存在重构容错控制中因分离延时而引起的控制性能变坏的问题。但这种方法只能适应较少的几种故障情况，不可能用一个控制器实现对所有故障的鲁棒性，且往往以牺牲系统的性能为代价。
2.2 重构容错控制
由于系统故障的多样性和对系统性能的高要求，鲁棒容错控制实现容错种类有限。为此可以设置一个在线故障检测与诊断机构，利用它对系统进行实时故障检测与估计，并根据故障诊断机构提供的系统故障信息，重新设计控制器，对故障特征进行补偿，以保证系统在故障状态下仍然能够获得良好控制效果，这就是重构容错控制。重构容错控制实现容错的方案有两种：一是在线重构，即根据检测到的故障状态重新设计控制器或故障补偿机构，适用于故障模式事先不确定，控制律需要在线调整的情况；二是离线重构，即根据检测到的故障把控制器切换到预先设计好的容错控制器，适用于事先知道可能的故障模式，控制律可以离线确定的情况。重构容错控制的设计方法只要实时而准确地检测和隔离出故障，就可以采用工程技术人员所熟悉的各种控制器设计方法重构控制器，但这种容错控制设计方法依赖于故障检测分离机构，而一般的故障检测机构都存在误检，即存在两种可能：一是把正常的部件当作故障部件造成虚警；二是把故障的部件当作正常的部件造成失检。
3 飞机燃油系统容错控制策略
飞机燃油系统总的故障诊断与容错控制结构如图1所示。
其中，“执行机构”代表飞机燃油系统中接受控制命令后的执行机构，根据“容错控制”给出的容错控制策略向泵、阀等附件发出控制指令；“监控对象”为飞机燃油系统内所有的被监控对象，如各种泵、各种阀、各类传感器等；“故障检测与诊断”用于检测监控对象的故障信息，并对其故障原因、类型、部位和严重程度等做出判决；“容错控制”根据给出的故障情况采取不同容错策略；“数据库”存储系统中采集各类数据；“专家库”存储各种专家经验。
3.1 传感器发生故障时的容错控制
油位传感器正常的情况下，用传感器值来显示油位。油位传感器出现故障时，在建立的油位传感器的预测模型准确的情况下，用预测值代替传感器输出，提供油位显示。
3.2 输油泵发生故障时的容错控制
采用顺序输油，耗油顺序为：副油箱→辅助油箱→主油箱→消耗油箱。在转输油过程中，一旦副油箱某输油泵发生故障，将关闭该泵，由另外一个泵继续执行输油，如果两个泵同时故障，转入辅助油箱输油；辅助油箱中输油泵的容错控制方法同上；消耗油箱输油泵一旦故障，只能通过主油箱和消耗油箱底部相连管路进行重力输油；同时打开引射源，开启引射泵，由引射泵连通备份油箱、辅助油箱和主油箱，通过主油箱向消耗油箱进行重力输油。
3.3 输油管路发生故障时的容错控制
某型飞机共有3路输油管路。输油管路1发生故障时，关闭副油箱输油泵，开始辅助油箱输油；输油管路2发生故障时，关闭辅助油箱输油泵，开始与消耗油箱输油；输油管路3发生故障时，关闭主油箱输油泵，开始重力输油，同时打开引射源，开启引射泵，由引射泵联通备份油箱、辅助油箱和主油箱，通过主油箱向消耗油箱进行重力输油。
3.4 油面控制器发生故障时的容错控制
加油过程中，油面控制器一旦发生故障，加油活门将无法自动关闭，这时程序发出指令，控制加油活门关闭。
4 结束语
容错控制可很好地提高系统可靠性，通过合理设计某型飞机燃油系统的容错控制策略有效地进行飞机燃油管理，提高了其可靠性，最大限度地保障飞机燃油系统性能，保障飞行安全，提高其生存力。
参考文献
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[2]胡昌华,许化龙.控制系统故障诊断与容错拄制的分析和设计[M].北京.国防工业出版社,2000.
[3]王祖利,张颖伟.容错控制[M].沈阳.东北大学出版社,2003.8.
论容错技术在过程控制中的应用 篇8
关键词：容错技术,过程控制,双机冗余系统,服务器,应用,分析
在计算机应用系统领域里, 容错技术主要就是指计算机服务器对于计算机系统故障以及错误等的容纳技术, 或者是在计算机系统出现故障与错误问题时, 计算机服务器的可以继续进行工作的能力技术。计算机服务器的容错能力与技术是计算机系统在实际应用中稳定可靠运行的重要保障条件。
目前, 在实际应用中, 为了保证系统运行的稳定与可靠, 在计算机系统中通常都使用服务器集群或者是双机冗余系统、容错服务器等方式, 将容错技术应用于计算机服务器或者是系统中, 以实现计算机服务器故障问题情况下, 继续运行工作实现, 保证计算机服务器与系统的稳定、可靠运行。
1 容错技术的应用特点分析
1.1 容错技术的应用特征概述
容错技术主要就是针对系统故障问题发生时, 保证系统稳定可靠运行实现的一种技术方法。目前, 在实际应用中, 将容错技术方法应用于系统运行稳定可靠保证的技术类型, 主要有服务器集群技术以及双机冗余系统类型、容错服务器方法等, 都是通过容错技术在系统中的应用实现, 进行系统运行稳定可靠保障的实例。容错技术在服务器系统中的应用实现, 可以保证服务系统不间断的运转实现, 并且能够实现长时间的连续运行, 运行可用性也比较大, 避免了由于系统运行故障问题等, 对于服务器系统造成的运行中断或者是数据丢失、数据备份失败等不利影响。
1.2 不同容错技术方案的应用对比与分析
容错技术在服务器系统中的应用方式不同, 最终形成的容错技术方案也就不同。目前, 在实际应用中比较常见的容错技术方案, 主要有服务器集群以及双机冗余系统、容错服务器三种容错技术方案类型。
其中, 服务器集群以及双机冗余系统的容错技术方案类型相似度比较高, 双机冗余系统的容错技术方案, 是一种多机容错的技术方案类型, 它是一种最简单的服务器集群容错技术方法, 因此, 也可以说双机冗余系统是服务器集群的延伸技术方案类型。
在实际应用中服务器集群技术方案, 主要是将多台计算机服务器进行集群计算应用, 以此来提高服务器系统的运行应用性能, 解决服务器系统故障问题造成的系统运行影响等。而在实际中应用的容错服务器技术方案类型与双机冗余系统方案类型相比, 虽然在服务器的硬件配置与性能上没有太大的区别, 但是, 容错服务器技术方案在实际应用中, 它对于服务器系统运行的可靠性保证要比双机冗余系统技术方案高, 并且容错服务器技术方案在实际应用中的可用性、故障切换操作以及技术成本等, 都比双机冗余系统技术的方案的应用优势要突出。此外, 容错服务器技术方案与传统的服务器集群技术方案的应用相比, 在实际容错服务应用中维修、恢复以及成本控制方面也具有很大的优势。
2 容错技术在过程控制中的应用分析
本文所要论述的在过程控制中应用实现的容错技术方案类型, 主要是容错服务器技术方案类型。目前, 该容错技术方案在某公司的加热炉过程控制系统中已经得到应用实现, 并且对于该加热炉过程控制系统的运行稳定、可靠以及维护有很好实现与保障。如下图1所示, 即为某公司加热炉过程控制系统中的容错服务器技术方案的应用实例图。
某公司加热炉过程控制系统中使用的容错技术方案类型, 主要就是在该公司的加热炉过程控制系统中使用了容错服务器, 对于加热炉的过程控制系统的稳定可靠运行进行保障实现。该过程控制系统中使用的容错服务器主要是采用紧密封装机架以及机柜等配置, 组成了结构比较紧密的容错服务器。它在对于加热炉过程控制系统的运行服务应用中, 具有较好的系统运行保障可靠性, 并且该服务器的应用性能以及安全性都比较高。在进行该公司热锅炉过程控制系统的应用中, 该热锅炉过程控制服务系统不仅具有同步运行的技术功能, 服务系统中冗余容错硬件的部件结构可以在同一时间进行同一命令的执行实现, 以对于系统运行故障问题发生时的继续工作运行实现进行保证;而且该服务系统中还具有故障安全软件, 能够有效对于过程控制服务系统中许多软件故障问题进行预防处理, 以保证热锅炉过程控制系统的安全、稳定、可靠运行实现。此外, 在该公司的热锅炉过程控制容错服务器系统控制运行中, 该服务系统中的主动服务体系结构还能够实现对于系统运行的连续监测控制, 并通过服务网络的远程支持, 使得远程控制操作人员在远程距离下, 实现对于过程控制系统中的运行故障问题等, 进行诊断、排查与解决维护等。总之, 容错服务器在进行热锅炉过程控制系统的应用过程中, 不仅具有较高的可用性, 并且故障切换、维护效果比较好, 产品延续性与扩展性比较突出, 性价比优势较高。
3 结语
总之, 容错技术在过程控制中的应用实现, 对于过程控制系统的运行稳定性与可靠性保障有很好的实现, 并且对于过程控制系统的运行安全也具有很好的保障实现作用。需要注意的是, 在进行过程控制系统中的容错技术方案应用时, 应注意结合过程控制系统的实际情况, 选择合适的, 应用性能比较高的容错技术方案进行应用实现, 以保证系统运行的安全、稳定与可靠实现。
参考文献
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容错控制 篇9
关键词：无线传感器网络,锚节点,路由空洞
1. 引言
无线传感器网络通过散布在特定区域周围的若干传感器节点的联络, 使图像, 温度和距离等信息可以得到回收, 用于决策的形成[1]。信息的采集由传感器来完成, 信息的回收是由节点间的联络完成的。网络系统的构建和传感器网络的高可靠设计是系统中非常重要的环节。
基于地理信息的路由协议[2], 每个节点的几何位置都适合给其他节点提供中央位置服务。在这些方法中, 节点向其相邻的节点传送数据并且不断重复这个过程直到数据到达目的地。但是这种链式传输数据方式受到不可预知的因素影响从而导致节点失效。这种情况下, 会出现一个严重失效的区域, 叫做路由空洞。导致出现这个失效区域的原因包括:恶劣的环境, 软件错误, 硬件错误等。由于贪婪转发算法 (GF) 存在路由空洞的缺点。因此本文提出一种基于锚节点的方法解决路由空洞问题, 该算法的目标就是在遇到路由空洞时, 空洞边界节点发起路由空洞信息, 然后根据地理位置信息, 选择合适的锚节点, 源节点把数据直接发送给锚节点, 再由锚节点把数据转发到目的节点。
2. 系统模型
在本文中, 假设每个节点两两之间具有相同的拓扑控制。无线传感器网络中存在如图1所示的路由空洞。图1中, 黑色节点为空洞边界节点, 其他节点为普通传感器网络节点。空洞内的死亡节点忽略标示。
建立如图1所示的三角模型, 利用GPS定位系统或者地理信息技术在空洞边界节点处找出y节点与z节点, 画出图2所示的三角形。就是要找出从x到b的最短路径, 即:c1+c2的最小值。当c1+c2最小时, 确定的边界节点为t, 由此可以得到t的坐标 (xt, yt) 。设锚节点v的坐标为 (xv, yv) , 那么, 根据地理位置信息, 找出与节点t距离最近的锚节点v。当锚节点v确定后, 数据直接发送到v, 经过v的转发, 避开空洞, 经由锚节点v转发至目的节点。
3. 最短路径的计算
从图2中可得:
联立1式与2式可得:
做从t到xb的垂线, 那么可得:
即可得:
服从:。这里, 是从x出发垂直于yz射线把分成的两个角。当F取到最小值的时候, 确定边界节点t的坐标 (xt, yt) 。利用GPS或者地理信息算法, 取得与节点t距离最近的锚节点v, 源节点s直接将数据发送至锚节点v, 再由锚节点转发至目的节点d。
4. 仿真实验
首先用C语言编制程序进行仿真实验。区域大小选择100m100m, 其中随机分布有100个传感器节点和锚节点, 每个传感器节点的初始能量为5J, 同时设定一个路由空洞, 来检验本文提出的算法。
如图4所示, 边界节点的能量消耗。由于SPEED协议与GPSR协议都是沿着边界周长传输数据, 造成边界节点过多的浪费能量。本文提出的算法直接将数据传送至锚节点, 减少了边界节点不必要的能量消耗, 平衡了整个网络的能量消耗, 延长了网络寿命。
参考文献
[1]Jian-zhong, LI Jin—bao, SHI Sheng—fei.Concepts, Issues andadvance of sensor networks and data management of sensor networks[J].Journal of Software, 2003, 14 (10) :1717—1727 (in Chinese) . (李建中, 李金宝, 石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展[J].软件学报, 2003, 14 (10) :1717—1727.)
容错控制 篇10
随着经济的发展, 电网容量日益增大, 高压、超高压线路不断延长, 规模越来越大, 对电网的巡检维护变得更为重要。用巡线机器人对电网进行巡检, 为电网巡检提供了一种新的自动巡检方法, 近年来已成为特种机器人领域的一个研究热点。相对工业机器人而言, 巡检机器人还相对年轻, 并且巡检机器人既要在恶劣、复杂环境下工作, 又要考虑长途巡视的高安全可靠性、电源补给和远程通信等, 因而, 开展巡线机器人的研究与应用无疑是一个极大的挑战[1,2,3]。
通过对巡检机器人的实际作业环境进行分析, 结合对机器人控制系统的高安全可靠性要求, 提出了硬件容错和软件容错相结合的容错控制方法以及故障处理策略。
1 巡检机器人控制系统组成
巡检机器人分布式控制系统结构如图1所示。机器人控制系统采用分级递阶的体系结构, 由管理级、控制级和现场级组成[4,5,6]。管理级主要由PC客户端构成, 用于监视、操作和管理全系统的信息;控制级主要由32位微处理器ARM1、ARM2和DVR构成, 实现传感器数据信息采集与处理、电源管理、复位控制、驱动控制和图像信息采集等功能, 并按照通讯协议与管理级之间进行数据传输;现场级主要由各种传感器、继电器、电机、可见光云台和红外成像仪等构成, 用于完成各种机器人动作和采集各种数据信息。
图2所示为巡检机器人控制系统的运动控制流程图。机器人规划系统产生下个时间片机器人的位姿状态, 控制器通过将规划系统得到的信息结果和采集到的传感器信息进行比较, 经过算法计算出机器人行走速度、各个关节电机动作状态, 最后传感器系统将机器人下个时间片的状态信息采集传送给控制器, 由此构成一个完整的闭环控制系统。
传感器用于将机器人的当前运行状态信息传送给机器人控制系统, 如果传感器在系统运行过程中出现故障, 就可能导致整个系统瘫痪。为了解决由传感器故障而造成的控制系统紊乱, 保证巡检机器人能够顺利完成作业任务, 必然需要对传感器信号进行有效的容错控制处理[7]。
2 容错控制技术与方法
2.1 传感器硬件配置及故障形式
巡检机器人的传感器硬件配置见表1。其中, 光电传感器 (E3Z-D61、E3Z-D62) 主要用于高压输电线路上障碍物 (间隔棒、防震锤、悬置线夹等) 的检测;限位开关用于对机器人各个关节部位电机行程检测;GPS用于机器人定位校准;激光测距仪用于检测机器人下方障碍物与机器人之间距离。本文对巡检机器人传感器容错控制技术的研究主要是针对影响机器人位姿状态的传感器, 即对光电传感器、限位开关和激光测距仪的容错控制。
巡检机器人上述传感器在实验过程中通常出现3种故障形式, 即: (1) 机器人在行驶过程中遇到障碍时, 传感器输出信息保持不变; (2) 机器人在行驶过程中没遇到障碍时, 传感器输出信息在该时间段内跳变; (3) 机器人正常行驶过程中, 传感器输出信息在一定范围内波动[8]。通常情况, E3Z-D61、E3Z-D62、限位开关可能出现第一、二种故障, 激光测距仪三种故障均可能出现。对于激光测距仪出现第三种故障的情况, 采取线性平滑的方法来处理。对于传感器出现的第一、二种故障形式, 均可以通过硬件容错处理和软件容错处理进行有效改善, 所以, 提出了N模冗余容错和时间冗余容错相结合的传感器故障处理措施。
2.2 巡检机器人传感器容错控制策略
图3所示为巡检机器人传感器容错控制系统流程图。首先对外界环境信号采集应用传感器N模冗余容错处理, 得到一个正确的传感器信号送给控制器, 但是这种并行方式的容错能力仅仅是物理隔离故障、对故障切换进行改进。为了更好的解决传感器第一、二种故障形式, 对N模冗余后得到的传感器信号再进行时间冗余容错处理[9], 消除传感器的短暂性错误。通过应用N模冗余容错与时间冗余容错相结合的方法, 可以得到精准的机器人位姿状态信息。
2.3 N模冗余容错技术
N模冗余容错是一种传统的容错技术, 采用N模冗余的方法, 输入信号由完全相同的N个模块分别独立处理, 每个模块生成一个运行结果交给决策器, 由决策器进行判断并输出结果[10]。
为了解决传感器第一、二种故障形式, 本巡检机器人采用传感器N模冗余容错技术如图4所示, Xn为第n (n=0, 1, 2…) 个传感器模块处理的结果, 将n个处理结果同时交给决策器 (本设计采用与门电路) , Y为最后输出结果。
如上图中, N模冗余容错结构可以看成一种并行结构, 与门电路信号处理表达式为:
其中Xn为传感器输出信号, Y为经过与门电路处理之后输出结果。图5为与门电路原理图与传感器信号处理电路板实物图。
2.4 时间冗余容错技术
时间冗余容错是以消耗时间资源为代价来达到故障容错的目的, 具体方式有指令重复执行、程序卷回、降低设备运行速度等。为了更好的解决第一、二种故障形式, 本设计采用了指令重复执行方式来实现时间冗余容错控制, 指令重复执行流程图如图6所示。
指令重复执行时间冗余容错技术, 是在程序运行过程中, 在程序适当位置设置检查点, 在每一个检查点处保存程序在该检查点之前正确运行而得到的全部信息及标志。如果故障是暂时性的, 则程序卷回到上一检查点开始重新执行, 这样可以完全消除暂时性错误。需要注意的是要合理设置检查点数量, 设置过多会增加程序处理时间, 设置过少又会使程序卷回时间过长。
控制器时间冗余处理部分代码如下所示:
3 实验结果
搭建实验平台, 对巡检机器人进行实验验证, 选用20m标准220k V单分裂实验线路, 线路上依次设有间隔棒、防震锤和悬垂线夹。实验情况1:对巡检机器人传感器系统不进行容错处理;实验情况2:对巡检机器人传感器系统进行容错处理。对以上2种实验情况下的巡检机器人进行自主越障实验, 机器人跨越防震锤实验过程如图7所示。
对2种实验情况各进行5组实验测试, 每组进行20次单向自主越障, 对越障成功次数进行统计, 结果见表2。
将上表中数据统计结果在同一坐标系下绘制成曲线如图8所示。
对实验测试数据进一步处理得到2种实验情况下各组实验成功率, 结果见表3。
图8和表3表明, 对于进行传感器容错处理的巡检机器人控制系统明显稳定性更高、鲁棒性更好。本设计采用的N模冗余容错 (硬件容错) 和时间冗余容错 (软件容错) 相结合的容错控制策略可以很好的解决传感器通常出现的第一、二种故障形式。
4 结论
对于巡检机器人传感器常见的第一、二种故障, 一般都是无法修复的硬件故障, 采用本设计的传感器容错控制策略, 可以最大程度的减小由这两种故障形式造成的控制系统紊乱, 大大提高了巡检机器人顺利完成作业任务的成功率, 有效的提高了巡检机器人控制系统可靠性, 保证了巡检机器人成功完成各种越障动作。
摘要：本文在介绍巡检机器人分布式控制系统的基础上, 分析了传感器的硬件配置和常见故障形式, 提出了N模冗余容错 (硬件容错) 和时间冗余容错 (软件容错) 相结合的容错控制策略。实验结果表明, 基于该容错控制策略的巡检机器人控制系统具有较好的鲁棒性, 有效的保证了巡检机器人成功完成各种越障动作。
关键词：巡检机器人,传感器故障,容错控制,分布式控制系统
参考文献
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容错控制 篇11
FlexRay总线作为下一代汽车内部的主干网络，其良好的性能尤其是高速、精确和容错的特点，能够满足未来汽车高速控制应用的需要［1-3］。FlexRay总线精确的时钟基准是其可靠运行的关键因素之一，而网络中的时钟同步是总线时基精确的重要保证，因此研究FlexRay时钟同步问题具有重要的现实意义。
文献［4］提出了一种基于分析模式的FlexRay时钟同步算法，可以不通过测量而直接通过计算得出任意两个节点之间的时钟偏差。文献［5］对FlexRay总线时钟同步进行了分析，建立了同步算法数学模型，理论上说明了FlexRay时钟同步具有较强的容错性和适用性。文献［6］指出FlexRay时钟同步所用容错中值(Fault-tolerant midpoint，FTM)算法每轮对网络修正后存在±ε（ε为传送延时）漂移。
FlexRay协议要求网络中至少包含3个同步节点进行时钟同步，上述文献都是建立在这个基础上进行讨论的。当节点数目较少时，这种限制将对网络的性能产生影响。针对这种情况，文献 ［7］结合IEEE 1588提出了一种同步节点数目少于3个的同步方法，但是没有解决同步过程中的同步节点容错问题。一旦同步节点出现故障，整个网络将无法正常工作，造成消息的延误［8］。
本文在上述研究的基础上，提出了一种FlexRay的单节点容错同步算法。该方法只需要一个同步节点并且无需额外的硬件支持，即可在保证FlexRay安全性和可靠性的前提下完成时钟同步。
1 FlexRay时钟同步
1.1 同步周期的基本概念
FlexRay总线协议中，簇内所有的节点都应有相同的“时间观”，遵守一个标准的全局时间。但是这并不意味着节点间具有完全严格的同步时间，只要节点间的时间差保持在允许的误差范围内即可。在一个通讯周期内分为4个时间层次，从最低层到最高层分别依次为：最小时间节拍层、最大时间节拍层、仲裁网格层和通讯周期层。
时钟同步过程设置三种模式：（1）备用模式（STANDBY），（2）非同步模式（NOSYNC），（3）同步模式（SYNC）。在STANDBY模式中时钟同步过程被停止，在NOSYNC模式中节点执行时钟同步但不发送同步消息，在SYNC模式中节点发送同步消息并执行时钟同步［9］。
FlexRay协议中节点在静态段完成同步测量，以获得各节点的时间偏差值，运用FTM算法［9］对每一组时间偏差值进行处理，所获得的值即为时钟同步算法的校正值。FlexRay同步机制运用两种类型的校正：相位校正和速率校正。相位校正值是各非同步节点与同步节点的时间偏差值，每周期进行计算并在奇数周期末尾完成校正。速率校正值是两个连续周期同一节点同一时刻的时间偏差值，偏差的计算结果在每个奇数周期完成计算，在下一个周期开始时生效，在最大时间节拍形成过程中实行。
1.2 同步时间测量
为了计算同步帧发送节点与同步帧接收节点之间的时间偏差，就必须分别测量同步帧发送端和同步帧接收端的触发点时刻。但是由于传输起始序列截断影响，同步帧接收节点接收到传输起始序列1/0跳变沿的时间并不是同步帧接收节点的触发点时刻。因此在FlexRay总线协议中需要测量首个字节起始序列中的1/0跳变沿，用该时刻减去解码修正量和延时补偿量倒推得到接收端传输起始序列的开始时刻。解码修正量中包含传输起始序列、帧起始序列和字节起始序列，延时补偿量中包含有收发器延迟、星型耦合器延迟和电缆长度的传输延迟［10］。
图1为时间偏差值测量过程，其中点 a表示发送端静态时间槽行动点，即发送端开始发送帧的时刻；点b表示第二时间参考点，位于首个字节起始序列的第二位频闪点；点c表示主时间参考点，由第二时间参考点减去解码修正量和延时补偿量得来；pDecodingCorrection为解码修正量，pDelayCompensation为延时补偿量，TSS为传输起始序列，FSS为帧起始序列，BSS为字节起始序列。由图1可知，点c与点a之间的差值为同步帧发送节点与同步帧接收节点之间的时间差（时钟偏差值）。
2 单节点容错同步算法研究
2.1 基本思想
针对FlexRay协议中同步节点数目不能小于三个的情况，本文采用单节点容错算法来实现时钟同步，为了解决单节点失效的问题，在时钟同步过程中增加一个同步节点优先级表。表的结构见表1，其中NODE_ID为节点的ID号，值越小优先级越高；NODE_NM为节点的名称；MES_ID为该节点发送同步消息所在的静态时间槽的ID；NODE_STA为节点状态标志，表示该节点是否失效。
表1 同步节点优先级表
在网络启动或者有新节点加入网络时，网络中各节点根据其他节点提供的信息建立或者更新自身的同步节点优先级表。当前同步节点失效时，根据此表优先级与其他节点协商决定同步节点。
在FlexRay协议中，各非同步节点在触发点接收同步消息，在超过触发点偏移量之后仍然没有收到同步报文，就认为该同步节点发生了故障，本文亦采用该方法判断节点是否发生故障。如果故障发生次数达到设定值，则认为该同步节点失效，在同步节点优先级表中选择优先级最高的节点替代同步节点，在周期动态段部分发出选择消息(Vote)。各节点收到 Vote消息后，扫描信息表，若与己选同步节点相同，发送确认消息，启动候选同步节点。
2.2 时间偏差值计算
FlexRay协议中为了测量同步节点和非同步节点之间的偏差，需要测量第二时间参考点并计算解码修正量和延时补偿量的值，这样不仅增加了计算开销，还增大了误差。为了减小开销和误差，本文基于文献［11］的方法来计算时间偏差值，图2为相应的通信过程。同步节点在T1时刻发送Sync消息，同步节点和非同步节点接收端分别测量接收到该报文的第二时间参考点时刻，分别记为T2和T3，同步节点在T4时刻发送一个包含时间戳T2的Follow_up消息。
本文时间偏差值计算过程中采用如下假设［7，11］：
（1）帧到达各节点的延时是定值，即网络必须是广播型网络，延迟时间可以接近于0，或是一个常值。
（2）节点接收器能够接收到该节点发送器发送的帧。
设Toffset为时间偏差，单位为最小时间片个数，该值可以为正也可以为负；Lmaxoffset为时间偏差允许上限，根据情况预先设置；u为解码修正量，ν为延时补偿量。那么，可以得到同步节点和非同步节点之间的等式：
由于同步节点的发送端和接收端在同一节点上，认为它们之间的偏差为0，那么可以得到同步节点发送端和接收端的等式：
由假设（1）可知式，（1）（2）中解码修正量和延时补偿量的值相等，即 u1=u2，ν1=ν2，因而由（2）和（1）可得：
式（3）中的Toffset就是同步节点与非同步节点的时间偏差值，因此由T3和T2即可得到Toffset，而T3和T2可以从Sync消息和Follow_up消息中获取。
2.3 单节点容错算法
基于上述机制的单节点容错算法，算法流程图如图3所示，具体步骤如下：
步骤1：初始化FlexRay网络中各节点控制器和寄存器，错误计数器M清零。根据在同步节点优先级表中预先的设置，将表中优先级最高的节点设为同步模式，其他节点设为非同步模式。
步骤 2：在第 i（i≤63）个通信，同步节点向总线上各节点发送Sync消息。
步骤3：各节点（包括同步节点）接收到Sync消息，并记录各自的接收时刻。
步骤4：同步节点向各节点发送一个Follow_up消息，非同步节点通过公式（3）可以计算各节点本地时钟的偏差 Toffset，当∣Toffset∣＞Lmaxoffset时，启动错误计数器令 M=M+1，令 Toffset=Lmaxoffset。
步骤5：因为网络可能出现错误，造成部分Sync消息不能被所有节点成功接收。如果节点超过触发点偏移量仍然没有收到Sync消息，启动错误计数器令 M=M+1，同时令 Toffset=Lmaxoffset。
步骤6：若某节点错误计数 M≥3则判定同步节点失效，扫描数据表选择下一顺序节点为候选同步节点，并在动态段中发送广播选择消息（Vote）。
步骤7：各节点收到 Vote消息后扫描信息表，若与已选同步节点相同，则在动态段中发送确认消息。Vote消息的发送节点收到确认后，将原同步节点的模式改为备用模式，所选同步节点的模式改为同步模式，各节点错误计数器清零。若规定时间内未收到确认消息，判定该非同步节点故障，原同步节点继续运行，错误计数器清零。
步骤8：若该周期结束，则i=i+1。如果i≤63，则返回步骤2，否则返回步骤1。
图4a中表示了一个周期内上述时钟同步的过程。在一个周期静态段内，同步节点在发送Sync消息和Follow_up消息后预留了两个静态时间片，在第五个静态时间片开始发送普通数据帧。图4b中表示了FlexRay协议时钟同步过程，四个同步节点分别发送四个Sync消息之后，在第五个静态时间片开始发送普通数据帧。从图4可以看出，在保证相同可靠性的前提下，本文所提同步算法不影响静态段的长度以及周期长度。而且本文同步算法不需计算解码修正量和延时补偿量就可以直接计算时间偏差值，精简了测量步骤同时也减少了由于计算解码修正量和延时补偿量值而造成的误差。
3 仿真验证
本文利用CANoe和DaVinci Network Designer软件对本文所提单节点容错同步算法进行仿真实验。
实验中选取4个节点，记为ECU_1、ECU_2、E CU_3和ECU_4，每个节点均有两组工作消息需要发送。在单节点容错同步算法中，考虑容错需要，令ECU_1为初始同步节点，ECU_2为候选同步节点；在FlexRay协议原有同步算法中，ECU_1、ECU_2和ECU_3为同步节点。在DaVinci Network Designer软件中完成FlexRay数据库建立，并在CANoe软件中建立仿真系统，如图5所示。
在正常通信过程中，当初始同步节点ECU_1断开，候选同步节点ECU_2能够代替ECU_1成为下一同步节点，图6为上述过程的trace图。
4 结束语
本文在对FlexRay协议时钟同步算法研究的基础上，提出了FlexRay总线的单节点容错同步算法，只需要1个同步节点即可完成时钟同步，减少了时钟同步的测量步骤和计算量。该算法引入同步节点优先级表，在同步节点出现故障的情况下，可以根据同步节点优先级表选择新的同步节点。最后在CANoe中进行仿真，结果表明该算法可以在保证安全可靠的前提完成通信，并提高同步精度。
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容错控制 篇12
随着现代大型的控制系统越来越复杂,对其各部件的可靠性、准确性的要求也越来越高,这使得控制系统出现故障的可能性增大。传感器、执行机构或系统故障都可能彻底地改变系统行为,导致系统性能下降,甚至不稳定。因此,及时地诊断出系统中的故障大小并实现容错控制对于提高控制系统可靠性和避免灾难性事故发生是极其必要的。
在过去的几十年中,在主动容错控制方面已经取得了许多研究成果[1,2,3],但是,迄今为止,许多研究成果都是基于线性系统的,关于非线性的研究成果还相当有局限性,有的研究成果在工程中无法实现,因此需要进一步的深入研究。
反馈线性化方法是非线性控制理论中发展比较成熟的一种控制方法,其基本思想是:通过适当的非线性坐标变换和非线性状态反馈,将一个非线性系统变换成为一个线性系统,然后用线性系统设计方法对变换后的系统进行设计,从而满足设计指标。本文以反馈线性化为基础,研究了一类满足Lipschitz条件的非线性系统的主动容错控制器设计,并将其成功应用到了某机器人系统中。
1 非线性系统描述
考虑如下一类满足Lipschitz条件的非线性系统:
(1)式中,x∈Rn为可测的状态向量,u∈Rr为输入向量,y∈Rm为输出变量。A,B,C,E是适当维数的矩阵,(A,C)能观。F(t)∈Rp表示系统未知的故障向量,满足范数有界:
‖F(t)‖≤f0 (2)
其中,‖·‖表示向量范数。设Fi(t)为F(t)的第i个元素,则Fi(i=1,2,…,p)分别代表系统中来自不同控制通道的故障,Fi(t)≠0表示第i个控制通道发生了故障。
ρ(x)是满足Lipschitz条件的非线性向量函数:
模型(1)描述了控制系统中广泛存在的执行器卡死和执行器失效两种典型故障。本文重点研究执行器卡死故障情形,满足E=B,p=r。
2 故障估计观测器的设计
故障估计是设计主动容错控制器的基础,只有获得了故障向量的估计值之后才能设计主动容错控制器。本文采用一个类似于状态观测器的自适应子系统来获得故障向量的估计值,其实现需要满足以下假设:
假设1 存在矩阵L,满足如下的矩阵不等式:
(A-LC)TP+P(A-LC)+γ2PP+I<0 (5)
(5)式中,矩阵P=PT>0,[·]T表示矩阵的转置。
在上述假设条件下,自适应故障估计观测器可设计如下:
其中,
定义故障估计误差
定理1 如果非线性系统满足假设条件1,则故障调节律(7)式能够保证自适应观测器渐近稳定,
3 容错控制器设计
如果系统相对阶为r,则按照非线性系统的反馈线性化理论[4],可通过非线性坐标变换z=T(x)和非线性状态反馈将系统化为化为线性子系统
和内动态子系统
两部分。其中,A1,B1,C1是以Brunovsky标准型中的系数矩阵为对角块的矩阵。可见,经过反馈线性化后,非线性系统(1)式达到了部分线性化,则可按照线性系统理论对输入v进行设计。值得注意的是,为了保证整个闭环系统的稳定性,要求内动态子系统必须是稳定的。
假设系统没有故障即F(t)=0,设状态反馈
v=Kz+nyr (10)
可以使闭环系统达到理想的稳态和动态指标,其中,yr为参考输入信号。则当系统出现故障时,要想达到与理想情况近似的性能指标,根据(8)式可得容错控制器应设计为:
(11)式中,B1-1为矩阵B1的广义逆。将z=T(x)代入(11)式,可得基于原状态向量x的容错控制器。
4 数字仿真
考虑包含在垂直面内的单连接机器人[5],其运动方程为:
(12)式中,q为关节角,u为输入转矩,M为转动惯量,g为重力加速度,m和l分别为质量和臂长。将系统模型转化为状态空间表达式,并考虑存在执行器卡死故障,得:
则(13)式具有非线性系统(1)的结构形式。计算可得系统的相对阶为2,没有内动态子系统。设计状态反馈控制器为:
v=-2x1-2x2+2yr (14)
可得输出跟踪曲线如图1所示。
假设在t=15时刻发生F(t)=0.6的故障,如果不重构控制器,输出跟踪曲线如图2所示。
从图1和图2可以看出,在未发生故障时,输出能够快速地跟踪参考输入信号,系统具有良好的稳态和动态性能。但是在故障发生后,如果不重构控制器,输出跟踪性能出现了明显的下降。
为了重构控制器,首先对故障进行估计,首先对(13)式进行线性变换,令,计算可得,故障估计曲线如图3所示。
经过计算,可得容错控制器为
可见,故障估计值能够渐近地趋于故障的实际值。在采用容错控制后,由于容错控制器对故障的补偿作用,使得故障对输出的影响大大减小,经过短暂的调节之后,输出依然能够较好地跟踪参考输入的变化。
5 结论
本文基于反馈线性化方法研究了一类满足Lipschitz条件的非线性系统的容错控制器设计,并将其应用到了某机器人控制系统中。通过理论研究和数字仿真,验证了该方法的有效性:在故障条件下,容错控制器能够保持闭环系统的稳定性,并且能够有效地补偿故障对输出的影响,使得输出在故障条件下依然能够较好地跟踪参考输入的变化。
摘要：针对一类满足Lipschitz条件的非线性系统,基于反馈线性化提出了一种主动容错控制方法,并将其应用到了某机器人系统中。仿真表明,在故障发生时,容错控制器不仅能够保持闭环系统的稳定性,而且能够有效地补偿故障对输出的影响,因此输出依然能够对参考输入具有较好的跟踪性能。
关键词：容错控制,故障诊断,反馈线性化,非线性
参考文献
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[4]贺昱曜,闫茂德.非线性控制理论及应用.西安:西安电子科技大学出版社,2007