基于动态输出反馈的非线性NCS鲁棒容错控制

摘要

网络化控制系统(NetworkedControlSystem，简称NCS)是通过网络将不同地理位置的传感器、控制器和执行机构连接起来，形成的一种全分布实时反馈闭环控制系统，NCS的优势在于可以实现资源共享和远程分布控制，系统构建模块化、集成化、成本低、故障诊断和维护方便、易扩展、灵活性强。然而由于网络带宽的限制和信息传输的不可靠性，衍生出网络时延、数据丢包等新的问题，导致了控制系统的性能下降、甚至失稳。加之NCS规模庞大，结构复杂，不确定和故障诱发因素众多，因此，借助容错设计技术使NCS具有更高的安全可靠性，受到学术界的广泛关注。
　　 就目前NCS容错研究的现状来看，其成果主要集中在线性系统，且更多采用状态反馈。由于受系统结构、环境及经济成本等因素制约，通常难于测取到系统的全部状态信息，因此状态反馈控制器的实际应用往往受限。而对于非线性NCS，基于动态输出反馈控制策略的容错控制研究还鲜有文献报道。基于此，本文针对一类非线性NCS，同时考虑网络延时、丢包的影响，采用动态输出反馈控制策略，基于T-S模糊模型建模，在对时延进行分段形式处理的前提下，较为系统的进行了容错控制和鲁棒容错控制的研究，具体内容如下：
　　 1)标称和具有参数不确定的非线性NCS的完整性问题
　　 对标称和具有参数不确定的非线性NCS，运用Lyapunov稳定性理论，LMI和自由权矩阵等方法，基于动态输出反馈控制策略，针对可能出现的执行器或传感器故障，推证出了使系统具有完整性和鲁棒完整性的时滞依赖充分条件，并通过求解LMIs给出了控制器的优化设计方法。
　　 2)标称和具有参数不确定性的非线性NCS的H∞完整性问题
　　 对标称和具有参数不确定的非线性NCS，考虑有限能量的外部扰动影响，运用Lyapunov稳定性理论，LMI和自由权矩阵等方法，基于动态输出反馈控制策略，针对可能出现的执行器或传感器故障，推证出使系统具有H∞完整性和鲁棒H∞完整性的时滞依赖充分条件，并通过求解LMIs给出了控制器的次优及最优设计方法。
　　 3)标称和具有参数不确定性的非线性NCS的保性能容错问题
　　 对标称和具有参数不确定的非线性NCS，考虑动态性能指标的要求，运用Lyapunov稳定性理论，LMI和自由权矩阵等方法，基于动态输出反馈控制策略，针对可能出现的执行器或传感器故障，推证出系统具有保性能完整性和鲁棒保性能容错问题时滞依赖充分条件，并通过求解LMIs给出了控制器的设计方法，进而对系统性能和控制器进行最优设计。
　　 在进行上述理论研究的基础上，采用相应的仿真算例对所有结果进行了正确性和有效性的仿真研究，文中对时延的分段处理，既符合实际情况，不失一般性，又可充分利用时延信息，有效减少结果的保守性；另外证明过程中自由权矩阵技术的应用，以及未对原系统进行模型变换，均可使结论具有小保守性，这对提高控制器设计的可行性和容错控制的满意度是有益的。