8.2 磁悬浮轴承：容错控制策略

8.2 容错控制策略

在磁悬浮轴承系统中，容错控制旨在当系统的关键组成部分（如传感器、作动器或控制器本身）发生预设范围内的故障时，通过调整控制系统的结构、参数或算法，使系统能够在可接受的性能降级下维持基本运行，避免灾难性失效，并为安全停机或维修争取时间。容错控制是保障磁悬浮轴承，尤其是在航空航天、能源、医疗等安全苛求领域应用时，实现高可靠性与高可用性的核心技术。

8.2.1 容错控制的基本概念与体系

容错控制的核心思想是“容忍故障，维持功能”。其实现依赖于两个核心要素：故障诊断和控制重构。故障诊断负责实时或近实时地检测、分离和辨识系统中发生的故障；控制重构则基于诊断信息，动态地切换或调整控制律，以补偿或隔离故障部件的影响。

根据重构方式和对故障信息的依赖程度，磁悬浮轴承的容错控制策略主要分为两类：

1. 被动容错控制：控制器在设计阶段即被赋予固定的鲁棒性，使其对某些特定类型的参数变化或故障不敏感。当此类故障发生时，无需在线诊断，控制器仍能保证闭环系统的稳定，但性能可能下降。其结构简单，但容错能力有限且可能较为保守。
2. 主动容错控制：依赖于在线故障诊断单元提供的故障信息。当诊断出故障后，系统主动进行控制律重构、参数重调或系统结构重组。主动容错能实现更精准的故障补偿，但对诊断的速度和准确性要求极高。根据重构对象的层级，又可分为：
   • 控制律重构：切换至备用的控制算法（如从LQR切换至鲁棒滑模控制）。
   • 参数重调度：根据故障程度在线调整控制器参数（如增益）。
   • 控制系统重组：重新配置传感器和作动器的使用方式（如切换至备份通道、改变作动器组合）。

8.2.2 基于硬件冗余的被动容错途径

硬件冗余是最直接、最可靠的容错方式，通过增加额外的物理部件来提供备份。

8.2.2.1 传感器冗余与信号融合
对于关键的位移传感器，可采用多冗余配置（如三冗余或四冗余），并布置在相近或不同的位置。

• 多数表决：是最基础的容错方法。系统持续比较多个传感器的输出，当其中一个传感器的读数与其余传感器的“共识”值偏差超过预设阈值时，即判定该传感器故障，并将其输出从控制回路中剔除，转而使用其余正常传感器的均值或中值。
• 最优信号融合：更先进的方法是设计一个融合滤波器（如卡尔曼滤波器）。该滤波器以所有传感器输出为量测，结合系统模型，动态估计出最优的转子状态。当某个传感器故障时，其量测噪声协方差矩阵的相应元素会被调大，滤波器会自动降低该故障传感器数据的权重，实现平滑过渡。研究表明，采用差分霍尔传感器阵列进行位置检测，可通过多信号差分比较实现高可靠性的故障自诊断与信号重构。

8.2.2.2 作动器（功率驱动器）冗余
在至关重要的应用（如人造心脏泵）中，电磁铁线圈及其驱动通道可采用双份甚至三份设计。

• 热备份：备份通道实时通电待命，与主通道输出相同的控制电流。一旦主通道被诊断出故障（如功率管开路），通过高速固态开关将负载切换至备份通道。切换过程需极快，以减小对转子的冲击。
• 冷备份与重构：备份通道不通电。当主通道故障时，控制器需重新计算剩余健康通道的控制分配矩阵，利用空间上的冗余电磁铁重新合成所需的控制力与力矩。这要求电磁轴承在设计之初就采用容错拓扑，例如增加磁极数量，使得在部分磁极/线圈失效后，剩余磁极仍能在所有自由度上产生可控力。

8.2.3 基于解析冗余的主动容错策略

解析冗余利用系统不同变量之间的数学模型关系来产生“虚拟信号”，用以替代或校验物理传感器的信号，是实现轻量化容错的重要手段。

8.2.3.1 基于观测器的故障诊断与信号重构
这是主动容错的核心技术之一。通过设计状态观测器或故障检测滤波器，比较实际传感器输出与观测器基于模型和系统输入（控制电流）预测的输出，产生残差信号。

r(t)=ym(t)−y^(t)r(t) = y_m(t) - \hat{y}(t)r(t)=ym​(t)−y^​(t)

其中，ym(t)y_m(t)y