不同通讯机制下带饱和约束的NCS鲁棒容错控制

摘要

随着网络化控制系统(Networked Control System，NCS)在诸多领域的成功应用，学术界对其的研究也已进入一个快速发展阶段。从NCS安全性角度，要面对的：一是网络介入所附带的网络传输时延、数据包丢失等影响系统性能乃至稳定性的网络属性问题；另一是NCS自身分散的结构、较高的复杂度，从而导致的更多不确定性及故障机率问题。对此，学者们将容错控制技术引入其中，使得具有网络属性的 NCS对故障不再敏感，从而提高了系统的安全可靠性。目前，NCS容错控制研究虽然取得了一定的成果，但几乎都是基于恒周期采样与信息传输的周期时间触发通讯机制(Periodic Time-triggered Communication Scheme，PTTCS)，这种机制下，大量不必要的冗余信息被传输和计算，不仅会浪费更多有限的网络和计算资源，加剧网络传输时延和丢包，而且此机制下NCS鲁棒容错控制器的设计也只能依赖于现有的网络服务质量，其结果也会更加保守；此外，既使在PTTCS成果中，研究对象仍以线性为多，对实际故障发生后更易出现的执行器饱和问题也少有考虑。
　　基于此，本文以同时考虑执行器饱和约束、执行器失效故障、网络属性以及内外不确定性等因素的线性/基于 T-S模糊模型的非线性 NCS为被控对象，分别基于 PTTCS和系统采样信息按需传输的新的离散事件触发通讯机制(Discrete Event-triggered Communication Scheme，DETCS)，采用状态反馈控制策略，研究了PTTCS、DETCS下执行器饱和不确定闭环故障NCS的鲁棒容错控制问题。具体来说，论文的主要内容及贡献可概括如下：
　　1)考虑执行器饱和约束，研究了 PTTCS下 NCS的鲁棒容错设计问题
　　针对实际工程中无法规避的执行器饱和约束，首先在PTTCS下，分别建立了具有执行器饱和约束的不确定线性/基于 T-S模糊模型的非线性闭环故障 NCS模型；然后，基于所建模型和Lyapunov稳定性理论，结合相关少保守性技术，推证出了使PTTCS下执行器饱和不确定NCS具有鲁棒完整性、鲁棒H?容错、鲁棒H?保性能容错的时滞依赖少保守性不变集条件，并采用线性矩阵不等式(Linear Mat-rix Inequality，LMI)技术给出了相应鲁棒容错控制器的优化求解方法。由于推证中使用了改进型 Jensen积分不等式，尤其是改进型 Wirtinger积分不等式技术的使用，以及对饱和项的凸组合处理，使得所得结论的保守性和复杂度得以减少。经仿真验证了故障发生时，既使执行器进入饱和区，NCS依然具有相应的鲁棒容错性能，说明文中方法为 PTTCS下具有执行器饱和约束的 NCS鲁棒容错设计，提供了更为切合实际的理论依据。
　　2)将 DETCS引入 NCS，研究了 DETCS下具有执行器饱和约束的 NCS鲁棒容错与网络通讯的协同设计问题
　　首先，通过引入合理的离散事件触发通讯约束条件，分别建立了 DETCS下具有执行器饱和约束的不确定线性/基于 T-S模糊模型的非线性闭环故障 NCS模型，为NCS容错控制与通讯建立了内在的联系；然后，基于所建模型和Lyapunov稳定性理论，采用相关少保守性技术，推证出了使 DETCS下执行器饱和不确定NCS具有鲁棒完整性、鲁棒H?容错、鲁棒H?保性能容错的时滞、事件触发共同依赖的少保守性不变集条件，进而以求解 LMI的方式给出了相应鲁棒容错控制器与离散事件触发权矩阵的优化协同设计方法。考虑基于 T-S模糊模型的非线性NCS中，全局模糊容错控制器构建、饱和约束等会加大结论的保守性，以及多模糊规则会增大求解时的计算量等问题，在证明中引入了时延适当分段技术，并与改进型Jensen积分不等式、互反凸组合引理结合，获得了少保守性、低计算复杂度的控制器求解方法。经仿真验证结果表明，较 PTTCS，DETCS中触发通讯约束条件的引入，实现了系统采样数据按控制需求自适应变周期传输的期望，而基于DETCS的方法实现了NCS容错控制与网络通讯的协同设计目标。
　　3)深入分析了 DETCS下 NCS鲁棒容错与网络通讯协同设计中，触发参数与控制性能及网络通讯资源占用之间的关系，给出了二者可遵循的平衡折中原则
　　在2)中所研究问题的基础上，进一步选取不同离散事件触发参数值，通过大量仿真实验，深入分析了随着触发参数的变化，闭环故障 NCS的容错性能与网络通讯资源占用之间的关系，进而得出了：离散事件触发条件中较大数值触发参数的选取可节约更多的网络资源，但却是以牺牲系统性能为代价，反之亦然，也即通讯资源节约与控制性能随触发参数的变化，二者的优劣变化趋势是相悖的。因此，在实际应用中，应根据控制需求和通讯条件，适度的选取触发参数数值，才能有效兼顾NCS控制性能(Quality ofControl Performance，QoCP)和网络服务质量(Quality of Service，QoS)，进行系统鲁棒容错性能与网络通讯资源合理利用的协同设计，实现二者的折中平衡。
　　4)搭建了具有执行器饱和约束的 PTTCS、DETCS虚拟 NCS实验平台，对文中所得理论结果进行了工程可用性实验研究
　　为验证所得理论结果在真实网络背景下的有效性，文中选取校园局域网为通讯媒介，采用OPC标准化通讯协议，以西门子S7-300 PLC作为服务器，2台PC机分别作为客户端，模拟被控对象和控制器。首先借助西门子Step7编程软件、Simatic Net通讯软件以及Matlab/OPC Toolbox，并在控制器后端引入饱和限幅模块，搭建了真实网络环境下基于PTTCS的执行器饱和虚拟NCS实验平台；然后，将离散事件触发模块置于被控对象后端，并巧妙的利用“0”数据包的传输以实现一定程度上的网络资源节约，搭建了真实网络环境下基于DETCS的执行器饱和虚拟NCS实验平台；最后，在所建的平台上对文中所得理论结果进行了工程可用性实验研究，结果表明搭建的虚拟 NCS实验平台更接近实际NCS，而所有理论结果正确且有效。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1选题目的和意义

1.2 NCS研究现状

1.3执行器饱和NCS的研究现状

1.4 NCS被动容错控制的研究现状

1.5 论文主要研究内容及结构

1.6 本章小结

第2章 不同通讯机制下执行器饱和不确定NCS建模及相关准备知识

2.1 PTTCS下具有执行器饱和约束的闭环故障不确定NCS模型

2.2 DETCS下具有执行器饱和约束的闭环故障不确定NCS模型

2.3相关知识准备

2.4本章小结

第3章 PTTCS下执行器饱和不确定NCS鲁棒容错控制

3.1 PTTCS下执行器饱和不确定线性NCS鲁棒容错设计目标

3.2 PTTCS下执行器饱和不确定线性NCS鲁棒容错控制

3.3 PTTCS 下基于 T-S 模糊模型的执行器饱和不确定非线性 NCS鲁棒容错控制

3.4 本章小结

第4章 DETCS下执行器饱和不确定线性NCS鲁棒容错控制

4.1 DETCS下执行器饱和不确定线性NCS鲁棒完整性设计

4.2 DETCS下执行器饱和不确定线性NCS鲁棒H∞容错设计

4.3 DETCS下执行器饱和不确定线性NCS鲁棒H∞保性能容错设计

4.4本章小结

第5章 DETCS下基于T-S模糊模型的执行器饱和不确定非线性NCS鲁棒容错控制

5.1 DETCS下执行器饱和不确定非线性NCS鲁棒完整性设计

5.2 DETCS下执行器饱和不确定非线性NCS鲁棒H∞容错设计

5.3 DETCS下执行器饱和不确定非线性NCS鲁棒H∞保性能容错设计

5.4本章小结

第6章 不同通讯机制下执行器饱和不确定NCS鲁棒容错控制实验研究

6.1 PTTCS下执行器饱和不确定NCS平台搭建

6.2 PTTCS下执行器饱和不确定NCS鲁棒容错控制实验研究

6.3 DETCS下执行器饱和不确定NCS平台搭建

6.4 DETCS下执行器饱和不确定NCS鲁棒容错控制实验研究

6.5本章小结

结论与展望

1．结论

2．展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表学术论文目录

附录B 攻读学位期间参加的基金项目

附录C 攻读学位期间获奖情况