随机丢包情形下非线性切换系统故障检测

摘要

切换系统是由若干子系统和一组切换信号组成的动态系统。许多具有多模态本质或变结构性质的物理系统可以用切换系统模型进行建模，如航空航天、电力系统、网络系统、化工系统等。网络通讯作为当下信息传播的一种便利手段，得到了广泛的重视与应用。当切换系统运行在网络环境下，由网络通讯受限诱导出的一系列问题如时延、丢包等会对系统的性能以及稳定性造成不可估量的影响。网络受限情形下切换系统的分析与综合引起了学者们的重视，近年来一些针对线性切换系统的成果发表在国际期刊上，并为复杂多模态切换系统的研究提供了先行理论基础。然而，在网络通讯受限下切换系统的故障检测问题的研究成果还不是很丰富，而且在该领域已有的成果大多是关于线性切换系统的，有关非线性切换系统的故障检测研究少之又少。
　　非线性作为物理系统中常见的现象，有时在系统建模分析时可以做近似线性化处理并得到近似化的系统模型，但是当我们对控制系统的性能具有较高要求时，非线性项在系统建模时并不可以忽略，因此，针对网络通讯受限下具有非线性特性的切换系统进行研究十分必要。受到以上问题的启发，本文试着对一类具有扇区非线性的离散切换系统在网络数据丢包情形下研究其故障诊断问题。根据现有的线性切换系统以及非线性切换系统中已有的相关结论，考虑在网络环境中存在数据丢包的情形下，建立该类系统的统一框架，针对该类非线性切换系统进行若干故障诊断的方案的研究。
　　首先，本文引入了具有扇区非线性特性的离散切换系统模型，对网络环境中的丢包统一建模。考虑在网络环境中存在数据丢失的情形下，设计一个非线性切换系统的故障检测器。目的是设计一个基于Luenberger观测器的故障检测器，满足滤波误差系统是渐近稳定的，并且具有给定的l2增益性能。基于随机系统问题的分析方法结合Lyapunov函数分析法并通过线性矩阵不等式的相关技术对所考虑的问题进行处理，本文针对非线性离散切换系统给出了基于观测器的故障检测器的设计方法。通过数值算例验证了方法的可行性和有效性。
　　然后，根据前文中的物理环境，设计了一个基于Kalman滤波器的故障检测器，满足滤波误差系统是渐近稳定的，并且具有给定的l2增益性能。基于随机系统问题的分析方法结合Lyapunov函数分析法并通过线性矩阵不等式的相关技术对所考虑的问题进行处理，本文针对非线性离散切换系统给出了基于滤波器的故障检测器的设计方法。通过数值算例验证了方法的可行性和有效性。
　　本文的特点在于，在切换系统中引入了扇区非线性约束，建立故障诊断所需的滤波器/观测器，建立了网络数据丢包情形下的故障诊断系统，通过构造模态依赖Lyapunov方法进行稳定性分析，利用平均驻留时间法和线性矩阵不等式技术并采用新的方法设计了故障诊断滤波器/观测器参数，提出一套一类非线性切换系统在网络丢包情形下的故障诊断方法，也为更复杂的非线性切换系统的故障检测提供了一种新思路。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 故障检测方向的研究内容和评价指标

1.3 本课题的主要研究内容

第2章 系统模型及基础理论

2.1 引言

2.2 线性切换系统模型

2.3 扇区非线性约束

2.4 扇区非线性切换系统模型

2.5 信号的范数及线性矩阵不等式技术

2.6 本章小结

第3章 随机丢包情形下基于观测器的故障检测

3.1 引言

3.2 问题描述

3.3 基于观测器的故障检测

3.4 仿真算例

3.5 本章小节

第4章 随机丢包情形下基于滤波器的故障检测

4.1 引言

4.2 问题描述

4.3 基于滤波器的故障检测系统设计

4.4 仿真算例

4.5 本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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致谢