具有时变采样周期的网络控制系统故障检测技术研究

摘要

随着分布式控制系统的快速发展以及计算机信息技术、控制技术和网络通信技术的交叉渗透，基于网络环境的自动控制系统已成为应用趋势。网络控制系统是指通过网络连接传感器、控制器和执行器而形成的闭环系统。与传统的点对点结构的控制系统相比，网络控制系统具有结构灵活、高可靠性、低成本、易于安装和维修等优点。但是，由于网络带宽、承载能力、服务能力的限制，在控制回路不可避免地会产生网络诱导时延、数据包丢失、时变采样周期、通信约束、多包传输等问题。这些问题会降低控制系统性能，严重时使系统失稳。目前，网络控制系统的研究主要集中在网络控制系统数学模型的建立、稳定性分析和控制器设计。
　　随着生产实践对于设备和被控系统安全性、可靠性要求的不断提高,故障检测技术的研究已经引起了学者们的关注。在网络控制系统中，故障的发生不可避免，故障的发生可能降低系统性能，及时检测故障对于提高网络控制系统的安全性和可靠性是非常重要的，所以对网络控制系统故障检测技术的研究具有重要的意义。在计算机控制中，由于受负载变化、网络影响、偶发故障等因素往往会导致采样周期发生抖动，目前，对具有时变采样周期的网络控制系统故障检测问题的研究目前尚在起步阶段。因此，本文研究具有时变采样周期的网络控制系统故障检测问题。考虑网络诱导的时延、数据包丢失、通信约束、多通道数据包丢失情况，研究具有时变采样周期的网络控制系统的建模、故障检测滤波器设计、故障检测系统设计、残差评估等问题。下面详细介绍本文的主要工作。
　　(1)考虑被控对象与故障检测滤波器之间的随机丢包和时变采样周期情况，研究了网络控制系统的故障检测滤波器设计问题。假设采样周期是在一个已知有限集内变化，建立了一个新的闭环系统模型。采用基于采样周期切换和参数不确定两种方法处理时变采样周期。基于已建立的系统模型，利用基于状态观测器的故障检测滤波器构造残差。应用Lyapunov稳定性理论和矩阵不等式方法，给出了故障检测滤波器存在的充分条件，使得故障检测系统均方渐进稳定。通过比较残差与给定阈值的大小来判断有无故障发生。最后给出数值算例表明所设计的故障检测滤波器不仅对故障灵敏，同时对外界扰动具有鲁棒性。即使控制器与执行器之间存在数据包丢失，所提出的故障检测滤波器设计方法依然适用。
　　(2)研究了具有时变采样周期和通信约束的网络控制系统故障检测问题。考虑传感器与控制器之间以及控制器与执行器之间的介质访问约束，即由于网络资源的有限性,在每个传输周期内,系统往往只允许有限个传感器节点和执行器节点接入网络传输数据，并将其用满足Bernoulli分布的相互独立的随机变量来描述，建立了系统的离散化模型。基于已建立的模型，设计基于状态观测器的故障检测滤波器，使得故障检测系统均方渐进稳定。所设计的故障检测滤波器能够使残差信号对故障灵敏。最后仿真实例表明本设计是有效的。
　　(3)研究了具有时变采样周期和多通道数据包丢失的网络控制系统故障检测滤波器设计问题。假如考虑控制器输出信号和被控对象测量输出信号的全部分量同时得到传输或同时丢失，把具有通信约束的网络控制系统故障检测问题转化为具有多通道丢包的网络控制系统故障检测问题，利用不确定参数处理时变采样周期，利用基于状态观测器的故障检测滤波器作为残差产生器。给出故障检测滤波器存在的充分条件；残差评估函数；故障检测的评判规则。最后给出仿真算例验证所设计的故障检测滤波器是有效的。
　　(4)考虑传感器与控制器之间和控制器与执行器之间的时延，利用Cayley-Hamilton定理获得多面体的顶点，把具有时变采样周期的系统离散化为含有未知参数的polytopic型不确定线性离散时间系统模型。基于已建立的模型，利用全阶故障检测滤波器作为残差产生器，给出全阶故障检测滤波器存在的充分条件，使得故障检测系统渐进稳定。仿真结果表明，所设计的全阶故障检测滤波器能够很好跟踪故障信号，并且对系统的时变采样周期和外界扰动具有鲁棒性。

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第1章 绪论

1. 1 引言

1. 2 网络控制系统的基本问题

1. 3 网络控制系统故障检测概述

1. 4 本文的主要工作

第2章 预备知识

2. 1 网络控制系统H?性能指标

2. 2 故障检测滤波器

2. 3 常用的一些引理

2. 4 本文使用的符号

第3章 具有丢包和时变采样周期的NCSs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滤波器设计

3. 4 数值算例

3. 5结论

第4章 具有通信约束和多通道丢包的时变采样周期NCSs故障检测

4. 1 具有通信约束和时变采样周期的NC Ss故障检测

4.2 具有多通道丢包和时变采样周期的NCSs故障检测

4. 3结论

第5章 具有Polytopic型不确定性的NCSs故障检测

5. 1引言

5. 2问题描述

5. 3全阶故障检测滤波器设计

5. 4数值算例

5. 5结论

第6章 总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢