網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的魯棒故障檢測(cè)與容錯(cuò)控制方法研究.pdf

1、隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將被控系統(tǒng)、控制器、執(zhí)行器和傳感器等系統(tǒng)部件通過(guò)有線或無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)連接在一起形成的分布式系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專線控制系統(tǒng)相比，它具有安裝成本低、易于診斷與維護(hù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活等特點(diǎn)。然而，網(wǎng)絡(luò)的介入給系統(tǒng)帶來(lái)的復(fù)雜性，會(huì)使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)更容易出現(xiàn)故障。因此，為了提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的安全性與可靠性，本文以幾種不同的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，在具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟

2、失的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，研究了它們的魯棒故障檢測(cè)與容錯(cuò)控制問(wèn)題。主要內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 一.針對(duì)兩類不同的線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，研究了其魯棒故障檢測(cè)問(wèn)題。分別設(shè)計(jì)了魯棒故障檢測(cè)濾波器，通過(guò)該濾波器來(lái)產(chǎn)生檢測(cè)故障時(shí)使用的殘差信號(hào)?；谀Ｐ偷木W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的魯棒故障檢測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是要使殘差信號(hào)對(duì)故障信號(hào)具有較高靈敏度的同時(shí)，對(duì)外部干擾、噪聲、網(wǎng)絡(luò)影響具有較好的魯棒性。
　　 第一類系統(tǒng)是具有范數(shù)有界不確定參數(shù)項(xiàng)的離散時(shí)間系統(tǒng).

3、丟包現(xiàn)象發(fā)生在傳感器到控制器鏈路上，且丟包現(xiàn)象服從Bernoulli分布。建立了具有丟包的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模型，為了檢測(cè)故障，構(gòu)造了基于觀測(cè)器的魯棒故障檢測(cè)濾波器，得到了殘差動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)給出該系統(tǒng)漸近均方穩(wěn)定的充分條件。進(jìn)而得到了魯棒故障檢測(cè)濾波器參數(shù)矩陣。本文不僅設(shè)計(jì)了關(guān)于誤報(bào)率的報(bào)警閾值，而且分析了如何估計(jì)誤報(bào)率的問(wèn)題。
　　 第二類系統(tǒng)是連續(xù)時(shí)間被控系統(tǒng)，未知的時(shí)變網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延與隨機(jī)丟包情形同時(shí)發(fā)生在傳感器-控制器與控

4、制器-執(zhí)行器鏈路上。未知的時(shí)變網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)模型的不確定項(xiàng)，隨機(jī)丟包則由兩個(gè)狀態(tài)的Markov鏈描述。將閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模成為具有Markov跳躍參數(shù)的不確定離散系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了基于觀測(cè)器的魯棒故障檢測(cè)濾波器，并且給出了殘差動(dòng)態(tài)系統(tǒng)漸近均方穩(wěn)定的充分條件，利用線性矩陣不等式方法求出了魯棒故障檢測(cè)濾波器的增益矩陣與權(quán)重矩陣。本文沒(méi)有利用特征分解、近似解耦或泰勒展開(kāi)的方法來(lái)處理時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延，而是采用基于模型不確定的方法，這樣避免

5、了故障檢測(cè)濾波器參數(shù)的實(shí)時(shí)在線計(jì)算。
　　 二.針對(duì)一類具有狀態(tài)時(shí)滯和模型不確定的非線性被控系統(tǒng)，當(dāng)傳感器-控制器與控制器-執(zhí)行器鏈路上都發(fā)生隨機(jī)丟包現(xiàn)象時(shí)，首先研究具有隨機(jī)丟包的非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的魯棒故障檢測(cè)問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)中的丟包現(xiàn)象用兩個(gè)服從Bernoulli分布的隨機(jī)變量來(lái)描述，利用觀測(cè)器的方法，設(shè)計(jì)了魯棒故障檢測(cè)濾波器。進(jìn)而，將殘差動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模成為具有狀態(tài)時(shí)滯和模型誤差的非線性隨機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)求解優(yōu)化問(wèn)題，得到性能指標(biāo)γmi

6、n，保證了殘差信號(hào)對(duì)外部干擾及網(wǎng)絡(luò)丟包具有良好魯棒性，對(duì)故障信號(hào)具有較高的靈敏度。證明了殘差動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是漸近均方穩(wěn)定的，并且給出了魯棒故障檢測(cè)濾波器參數(shù)矩陣的求解方法。
　　 三.討論了具有執(zhí)行器故障和隨機(jī)丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的完整性設(shè)計(jì)問(wèn)題。將傳感器-控制器與控制器-執(zhí)行器鏈路上的丟包現(xiàn)象用兩個(gè)開(kāi)關(guān)模型描述，并將開(kāi)關(guān)模型建模成為事件發(fā)生率已知的離散事件系統(tǒng)。引入執(zhí)行器故障矩陣，建立了閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。分析該模型的特性，然

7、后利用異步動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)理論，對(duì)其進(jìn)行了容錯(cuò)控制的完整性設(shè)計(jì)，得到了閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定的充分條件。
　　 四.針對(duì)具有隨機(jī)訪問(wèn)特性的網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))，當(dāng)傳感器-控制器與控制器-執(zhí)行器鏈路上都有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和隨機(jī)丟包現(xiàn)象時(shí)，首先探討了具有時(shí)變未知網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和隨機(jī)丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的容錯(cuò)控制問(wèn)題。本文沒(méi)有利用常用的狀態(tài)反饋控制器，而是設(shè)計(jì)了一種切換的輸出反饋控制器，建立了具有執(zhí)行器故障的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，該模型也可以看成

8、是一個(gè)模型參數(shù)不確定的離散Markov跳變系統(tǒng)。給出了該閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)指數(shù)均方穩(wěn)定的充分必要條件，進(jìn)而得到了切換輸出反饋控制器存在的充分條件。
　　 五.探討了具有狀態(tài)時(shí)滯與模型不確定的隨機(jī)丟包網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的魯棒容錯(cuò)控制問(wèn)題。隨機(jī)丟包現(xiàn)象發(fā)生在傳感器-控制器與控制器-執(zhí)行器鏈路上，引入獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量來(lái)表示網(wǎng)絡(luò)中的丟包現(xiàn)象和傳感器、執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)故障。設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)反饋容錯(cuò)控制器，從而將閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模成一類具有模型誤差和狀