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《天津大学》 2009年
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分布式网络化控制系统故障检测方法研究

刘文静  
【摘要】: 分布式网络化控制系统(DNCS)由于其成本低、灵活性高、资源共享、安装维护简单等优点,已成为学术界和工业界的研究热点之一。DNCS跟传统控制系统一样会发生各种各样的故障,并且DNCS的各种特性,如时延、丢包与带宽约束等会加剧故障对系统性能的影响,甚至使得系统不稳定,从而可能造成灾难和损失,而且故障的发生频率与系统庞大的规模和网络化环境形成了尖锐的矛盾。因此,如何提高分布式网络化控制系统的安全性、可靠性就显得尤为重要和紧迫。论文针对分布式网络化控制系统的安全性和可靠性问题,重点研究了双层监控系统框架下的故障检测方法,减小时延与丢包对故障检测性能的影响。 主要研究内容和创新点是: (1)针对基于包传输的DNCS,建立系统的离散模型。在对系统特性进行分析的基础上,引入基于包的传输机制用于子系统与中心故障检测单元的数据传输中。由于各子系统采样周期不同、传输包的大小不同,整个系统被看作多速率采样系统,采用提升技术,获得系统的离散模型并给出具体理论推导。在Matlab/Simulink环境下搭建系统仿真平台,采用Truetime工具实现基于包的数据传输机制。 (2)针对考虑时延和丢包的子系统,研究基于鲁棒滤波器的故障检测方法。首先,考虑考虑状态、输入与输出时延的子系统,分析时延对系统的影响,并建立包含时延项的系统模型,设计系统的鲁棒滤波器,进而获得系统的扩展模型,将故障检测的任务转化为选择适当的滤波器参数,保证扩展系统渐近稳定并满足一定的鲁棒性要求,根据滤波器参数获得系统的残差用于判断故障是否发生;然后,针对带有状态时延、输入与输出存在丢包的子系统,在分析丢包对系统影响的基础上,将其建模为马尔可夫跳跃系统,采用鲁棒滤波器设计方法,实现故障检测;最后进行仿真验证。 (3)针对考虑时延的中心系统,研究基于滑模观测器的故障检测方法。首先,针对子系统带有状态时延的中心系统,同时当系统状态完全可测时,设计滑模观测器,将故障检测的问题转化为选择滑模观测器参数保证滑模运动的稳定性和可达性问题,根据这两个条件,获得求解滑模观测器增益矩阵的两个定理,并且给出理论证明。然后,针对部分状态不可测的中心系统,在给出必要的假设后,引入变换矩阵用于将系统可测与不可测状态分离。对于不可测部分,设计降维观测器,而对于可测部分设计全阶滑模观测器。在获得系统的误差模型后,同样根据滑模运动的稳定性和可达性条件,求解滑模观测器的参数和非线性输入,进而利用系统残差判断故障是否发生。最后通过仿真验证所提方法的有效性。(4)针对具有周期通信序列的子系统,研究基于鲁棒滤波器的故障检测方法。 在分析周期通信序列原理和特性的基础上,将具有周期通信序列的子系统建模为切换系统;针对此系统设计故障检测滤波器,通过选择滤波器参数来保证残差产生系统渐近稳定,并使残差信号能够有效抑制未知输入的影响,同时给出相关理论证明;由滤波器获得的残差经过残差评价阶段的分析,实现系统故障检测。仿真结果显示所提的检测方法对具有周期通信序列的子系统故障检测的有效性。(5)针对具有确定通信逻辑的中心系统,研究基于状态观测器的故障检测方法。 首先,将确定通信逻辑引入中心系统中,在对同步状态估计器和逻辑判断单元进行分析和设计的基础上,获得带有不确定的中心系统模型,并设计状态观测器进行故障检测。然后,考虑丢包情况下的中心故障检测方法。此时中心故障检测单元的数据是否更新取决于两者,即通信逻辑单元的判断和是否发生丢包,当状态发生更新时,系统下一时刻的状态由实际状态获得,否则下一时刻的状态由估计器的状态获得,根据此机制对中心系统模型进行修正,将其建模为马尔可夫跳跃系统,通过设计相应的观测器实现故障检测。最后,通过仿真说明所提方法的有效性。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TP273.5

【参考文献】
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