具有双通道数据包丢失的Delta算子系统故障检测

摘要

网络控制系统将通信网络作为节点之间数据交换的桥梁，不仅可实现信息共享，而且在降低系统的控制成本、减少布线、易于扩展和维护等方面也具有明显优势。但是，在享受网络控制系统带来优势的同时，由于网络带宽的约束一些复杂问题也随之出现，如：网络诱导时延、数据包丢失、数据碰撞、通信受限等，这些问题对系统性能有重要影响，甚至会导致系统失去稳定性。网络控制系统逐渐深入到人们的生活，运行期间出现的故障信号会造成系统崩溃、瘫痪，为确保系统安全可靠运行，必须及时检测出故障信号。因此，关于网络系统故障检测的研究具有重要应用价值。 网络控制系统中模拟信号经过传感器将其离散化，当前常使用的离散方式是移位算子方法。然而，高速采样时移位算子描述的离散模型的状态响应将会远离原连续系统，且极点不完全在稳定环内，即可能出现不稳定现象。使用Delta算子模型则可以避免上述问题，随着采样周期变小，其状态响应曲线轨迹趋近原连续系统。本文采用Delta算子离散方法研究了双通道数据包丢失环境下网络系统故障检测问题，研究内容如下： (1)针对存在双通道数据包丢失和时变时延的Delta算子系统，设计了任意切换律下的故障检测观测器。使用两个相互独立且概率已知的伯努利随机变量表示丢包情况，采用时延约束的多李雅普诺夫函数进行稳定性分析。将所研究系统建模为网络切换系统，利用指数稳定性理论和平均驻留时间方法给出系统指数均方稳定的充分条件和具有H?性能的观测器的增益值。 (2)参数的不确定性是影响系统鲁棒性的重要因素之一。因此，将带有参数不确定性且具有数据包丢失的时延系统建立为不确定网络切换系统模型。利用残差信号和故障信号产生残差误差，将其作为残差评价函数可及时检测出故障信号。使用李雅普诺夫函数和线性矩阵不等式(LMIs)理论证明系统是指数均方稳定的，得到最小的抗干扰能力和滤波器参数的显式表达，使用LMIs工具箱对算法的可行性和有效性进行了验证。 (3)研究了传感器至控制器存在不确定丢包率的时变采样系统的故障检测问题，考虑不确定丢包率对系统性能的影响更加符合实际系统。使用时变采样周期将连续时间系统离散化，并将离散化后的系统转换为Delta算子系统。时变采样周期利用有限长随机切换序列表示可有效利用系统带宽，降低保守性，但会增加计算复杂度。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 网络控制系统概述

1.3 网络控制系统故障检测

1.3.1 故障检测方法

1.3.2 故障检测研究现状

1.4 Delta算子系统故障检测研究进展

1.5 本文主要工作内容及安排

2 预备知识

2.1 Delta算子模型

2.2 稳定性分析方法

2.3 线性矩阵不等式理论

2.3.1 线性矩阵不等式

2.3.2 常用引理

2.4 符号说明

3 具有双通道丢包和时延的Delta算子系统故障检测

3.1 引言

3.2 问题描述

3.3 指数稳定性分析

3.4 故障检测滤波器的设计

3.5 仿真分析

3.6 本章小结

4 双边丢包不确定Delta算子系统故障检测

4.1 引言

4.2 系统描述

4.3 主要结果

4.4 数例仿真

4.5 本章小结

5 具有不确定丢包率的时变采样Delta算子系统故障检测

5.1 引言

5.2 时变采样系统

5.3 渐近稳定性分析和故障检测滤波器设计

5.4 数值仿真

5.5 本章小结

6 总结与展望

参考文献

个人简历、发表论文、参与项目及获奖情况

致谢