不同通訊機(jī)制下帶飽和約束的NCS魯棒容錯(cuò)控制.pdf

1、隨著網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(Networked Control System，NCS)在諸多領(lǐng)域的成功應(yīng)用，學(xué)術(shù)界對(duì)其的研究也已進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展階段。從NCS安全性角度，要面對(duì)的：一是網(wǎng)絡(luò)介入所附帶的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失等影響系統(tǒng)性能乃至穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)屬性問(wèn)題；另一是NCS自身分散的結(jié)構(gòu)、較高的復(fù)雜度，從而導(dǎo)致的更多不確定性及故障機(jī)率問(wèn)題。對(duì)此，學(xué)者們將容錯(cuò)控制技術(shù)引入其中，使得具有網(wǎng)絡(luò)屬性的 NCS對(duì)故障不再敏感，從而提高了系統(tǒng)的安全可靠性

2、。目前，NCS容錯(cuò)控制研究雖然取得了一定的成果，但幾乎都是基于恒周期采樣與信息傳輸?shù)闹芷跁r(shí)間觸發(fā)通訊機(jī)制(Periodic Time-triggered Communication Scheme，PTTCS)，這種機(jī)制下，大量不必要的冗余信息被傳輸和計(jì)算，不僅會(huì)浪費(fèi)更多有限的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源，加劇網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延和丟包，而且此機(jī)制下NCS魯棒容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)也只能依賴于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，其結(jié)果也會(huì)更加保守；此外，既使在PTTCS成果中，研究

3、對(duì)象仍以線性為多，對(duì)實(shí)際故障發(fā)生后更易出現(xiàn)的執(zhí)行器飽和問(wèn)題也少有考慮。
　　基于此，本文以同時(shí)考慮執(zhí)行器飽和約束、執(zhí)行器失效故障、網(wǎng)絡(luò)屬性以及內(nèi)外不確定性等因素的線性/基于 T-S模糊模型的非線性 NCS為被控對(duì)象，分別基于 PTTCS和系統(tǒng)采樣信息按需傳輸?shù)男碌碾x散事件觸發(fā)通訊機(jī)制(Discrete Event-triggered Communication Scheme，DETCS)，采用狀態(tài)反饋控制策略，研究了PTTCS、D

4、ETCS下執(zhí)行器飽和不確定閉環(huán)故障NCS的魯棒容錯(cuò)控制問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，論文的主要內(nèi)容及貢獻(xiàn)可概括如下：
　　1)考慮執(zhí)行器飽和約束，研究了 PTTCS下 NCS的魯棒容錯(cuò)設(shè)計(jì)問(wèn)題
　　針對(duì)實(shí)際工程中無(wú)法規(guī)避的執(zhí)行器飽和約束，首先在PTTCS下，分別建立了具有執(zhí)行器飽和約束的不確定線性/基于 T-S模糊模型的非線性閉環(huán)故障 NCS模型；然后，基于所建模型和Lyapunov穩(wěn)定性理論，結(jié)合相關(guān)少保守性技術(shù)，推證出了使PTTCS下

5、執(zhí)行器飽和不確定NCS具有魯棒完整性、魯棒H?容錯(cuò)、魯棒H?保性能容錯(cuò)的時(shí)滯依賴少保守性不變集條件，并采用線性矩陣不等式(Linear Mat-rix Inequality，LMI)技術(shù)給出了相應(yīng)魯棒容錯(cuò)控制器的優(yōu)化求解方法。由于推證中使用了改進(jìn)型 Jensen積分不等式，尤其是改進(jìn)型 Wirtinger積分不等式技術(shù)的使用，以及對(duì)飽和項(xiàng)的凸組合處理，使得所得結(jié)論的保守性和復(fù)雜度得以減少。經(jīng)仿真驗(yàn)證了故障發(fā)生時(shí)，既使執(zhí)行器進(jìn)入飽和區(qū)，N

6、CS依然具有相應(yīng)的魯棒容錯(cuò)性能，說(shuō)明文中方法為 PTTCS下具有執(zhí)行器飽和約束的 NCS魯棒容錯(cuò)設(shè)計(jì)，提供了更為切合實(shí)際的理論依據(jù)。
　　2)將 DETCS引入 NCS，研究了 DETCS下具有執(zhí)行器飽和約束的 NCS魯棒容錯(cuò)與網(wǎng)絡(luò)通訊的協(xié)同設(shè)計(jì)問(wèn)題
　　首先，通過(guò)引入合理的離散事件觸發(fā)通訊約束條件，分別建立了 DETCS下具有執(zhí)行器飽和約束的不確定線性/基于 T-S模糊模型的非線性閉環(huán)故障 NCS模型，為NCS容錯(cuò)控制與通

7、訊建立了內(nèi)在的聯(lián)系；然后，基于所建模型和Lyapunov穩(wěn)定性理論，采用相關(guān)少保守性技術(shù)，推證出了使 DETCS下執(zhí)行器飽和不確定NCS具有魯棒完整性、魯棒H?容錯(cuò)、魯棒H?保性能容錯(cuò)的時(shí)滯、事件觸發(fā)共同依賴的少保守性不變集條件，進(jìn)而以求解 LMI的方式給出了相應(yīng)魯棒容錯(cuò)控制器與離散事件觸發(fā)權(quán)矩陣的優(yōu)化協(xié)同設(shè)計(jì)方法?？紤]基于 T-S模糊模型的非線性NCS中，全局模糊容錯(cuò)控制器構(gòu)建、飽和約束等會(huì)加大結(jié)論的保守性，以及多模糊規(guī)則會(huì)增大求解時(shí)

8、的計(jì)算量等問(wèn)題，在證明中引入了時(shí)延適當(dāng)分段技術(shù)，并與改進(jìn)型Jensen積分不等式、互反凸組合引理結(jié)合，獲得了少保守性、低計(jì)算復(fù)雜度的控制器求解方法。經(jīng)仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，較 PTTCS，DETCS中觸發(fā)通訊約束條件的引入，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)按控制需求自適應(yīng)變周期傳輸?shù)钠谕?，而基于DETCS的方法實(shí)現(xiàn)了NCS容錯(cuò)控制與網(wǎng)絡(luò)通訊的協(xié)同設(shè)計(jì)目標(biāo)。
　　3)深入分析了 DETCS下 NCS魯棒容錯(cuò)與網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)同設(shè)計(jì)中，觸發(fā)參數(shù)與控制性能及網(wǎng)

9、絡(luò)通訊資源占用之間的關(guān)系，給出了二者可遵循的平衡折中原則
　　在2)中所研究問(wèn)題的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步選取不同離散事件觸發(fā)參數(shù)值，通過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn)，深入分析了隨著觸發(fā)參數(shù)的變化，閉環(huán)故障 NCS的容錯(cuò)性能與網(wǎng)絡(luò)通訊資源占用之間的關(guān)系，進(jìn)而得出了：離散事件觸發(fā)條件中較大數(shù)值觸發(fā)參數(shù)的選取可節(jié)約更多的網(wǎng)絡(luò)資源，但卻是以犧牲系統(tǒng)性能為代價(jià)，反之亦然，也即通訊資源節(jié)約與控制性能隨觸發(fā)參數(shù)的變化，二者的優(yōu)劣變化趨勢(shì)是相悖的。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)

10、根據(jù)控制需求和通訊條件，適度的選取觸發(fā)參數(shù)數(shù)值，才能有效兼顧NCS控制性能(Quality ofControl Performance，QoCP)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)，進(jìn)行系統(tǒng)魯棒容錯(cuò)性能與網(wǎng)絡(luò)通訊資源合理利用的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)二者的折中平衡。
　　4)搭建了具有執(zhí)行器飽和約束的 PTTCS、DETCS虛擬 NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)文中所得理論結(jié)果進(jìn)行了工程可用性實(shí)驗(yàn)研究
　　為驗(yàn)證所得理論

11、結(jié)果在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)背景下的有效性，文中選取校園局域網(wǎng)為通訊媒介，采用OPC標(biāo)準(zhǔn)化通訊協(xié)議，以西門子S7-300 PLC作為服務(wù)器，2臺(tái)PC機(jī)分別作為客戶端，模擬被控對(duì)象和控制器。首先借助西門子Step7編程軟件、Simatic Net通訊軟件以及Matlab/OPC Toolbox，并在控制器后端引入飽和限幅模塊，搭建了真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于PTTCS的執(zhí)行器飽和虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；然后，將離散事件觸發(fā)模塊置于被控對(duì)象后端，并巧妙的利用“0”數(shù)