網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的魯棒故障檢測與容錯控制方法研究.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)部件通過有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)連接在一起形成的分布式系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的點對點專線控制系統(tǒng)相比，它具有安裝成本低、易于診斷與維護、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活等特點。然而，網(wǎng)絡(luò)的介入給系統(tǒng)帶來的復(fù)雜性，會使網(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)為研究對象，在具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延和數(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與容錯控制問題。主要內(nèi)容與創(chuàng)新點如下：
　　 一.針對兩類不同的線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，研究了其魯棒故障檢測問題。分別設(shè)計了魯棒故障檢測濾波器，通過該濾波器來產(chǎn)生檢測故障時使用的殘差信號?；谀Ｐ偷木W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的魯棒故障檢測的關(guān)鍵問題之一就是要使殘差信號對故障信號具有較高靈敏度的同時，對外部干擾、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)項的離散時間系統(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網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模型，為了檢測故障，構(gòu)造了基于觀測器的魯棒故障檢測濾波器，得到了殘差動態(tài)系統(tǒng)，通過給出該系統(tǒng)漸近均方穩(wěn)定的充分條件。進而得到了魯棒故障檢測濾波器參數(shù)矩陣。本文不僅設(shè)計了關(guān)于誤報率的報警閾值，而且分析了如何估計誤報率的問題。
　　 第二類系統(tǒng)是連續(xù)時間被控系統(tǒng)，未知的時變網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延與隨機丟包情形同時發(fā)生在傳感器-控制器與控

4、制器-執(zhí)行器鏈路上。未知的時變網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)模型的不確定項，隨機丟包則由兩個狀態(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)計了基于觀測器的魯棒故障檢測濾波器，并且給出了殘差動態(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濾波器的增益矩陣與權(quán)重矩陣。本文沒有利用特征分解、近似解耦或泰勒展開的方法來處理時變的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延，而是采用基于模型不確定的方法，這樣避免

5、了故障檢測濾波器參數(shù)的實時在線計算。
　　 二.針對一類具有狀態(tài)時滯和模型不確定的非線性被控系統(tǒng)，當傳感器-控制器與控制器-執(zhí)行器鏈路上都發(fā)生隨機丟包現(xiàn)象時，首先研究具有隨機丟包的非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的魯棒故障檢測問題。網(wǎng)絡(luò)中的丟包現(xiàn)象用兩個服從Bernoulli分布的隨機變量來描述，利用觀測器的方法，設(shè)計了魯棒故障檢測濾波器。進而，將殘差動態(tài)系統(tǒng)建模成為具有狀態(tài)時滯和模型誤差的非線性隨機系統(tǒng)。通過求解優(yōu)化問題，得到性能指標γmi

6、n，保證了殘差信號對外部干擾及網(wǎng)絡(luò)丟包具有良好魯棒性，對故障信號具有較高的靈敏度。證明了殘差動態(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)行器故障和隨機丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的完整性設(shè)計問題。將傳感器-控制器與控制器-執(zhí)行器鏈路上的丟包現(xiàn)象用兩個開關(guān)模型描述，并將開關(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、后利用異步動態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)理論，對其進行了容錯控制的完整性設(shè)計，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.針對具有隨機訪問特性的網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))，當傳感器-控制器與控制器-執(zhí)行器鏈路上都有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延和隨機丟包現(xiàn)象時，首先探討了具有時變未知網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延和隨機丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的容錯控制問題。本文沒有利用常用的狀態(tài)反饋控制器，而是設(shè)計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)時滯與模型不確定的隨機丟包網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的魯棒容錯控制問題。隨機丟包現(xiàn)象發(fā)生在傳感器-控制器與控制器-執(zhí)行器鏈路上，引入獨立同分布的隨機變量來表示網(wǎng)絡(luò)中的丟包現(xiàn)象和傳感器、執(zhí)行器的動態(tài)故障。設(shè)計了動態(tài)反饋容錯控制器，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