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《南京理工大学》 2009年
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网络控制系统的故障检测与容错控制

黎煊  
【摘要】: 本文研究了网络控制系统(networked control systems, NCSs)的故障检测与容错控制,主要内容如下: (1)研究了具有输出短时延和控制短时延的网络控制系统的故障检测与保成本容错控制问题。针对具有输出短时延和控制短时延的网络控制系统,假设系统传感器节点和控制器节点采用时间驱动,执行器节点采用事件驱动,将系统建模为具有参数不确定性的离散系统。首先考虑系统具有外在干扰情况下的故障检测问题,按照时延补偿策略设计了系统的鲁棒H∞故障观测器,利用Lyapunov方法和矩阵不等式方法,给出了观测器系统的稳定性条件,并对检测的鲁棒性和灵敏度进行了综合分析。接着考虑系统具有数据包丢失情况下的故障检测问题,设计了基于开环观测和闭环观测相结合的故障观测器,在数据包丢失率一定的情况下,将观测器误差系统等效为具有事件发生率约束的异步动态系统,基于异步动态系统理论和矩阵不等式方法,给出了系统的指数稳定性条件。然后基于观测器研究了具有输出短时延和控制短时延的网络控制系统传感器失效的完整性问题。按照时延补偿策略设计了系统的状态观测器。然后考虑可能发生的传感器故障,基于观测器建立了网络控制系统增广模型,针对二次型性能指标函数,利用控制器和观测器协同设计方法和矩阵不等式方法,得出了系统完整性条件,并给出了系统的保成本容错控制器和观测器的设计方法。 (2)研究了长时延网络控制系统的故障检测与保成本容错控制问题。首先考虑具有输出长时延和数据包丢失的网络控制系统的故障检测问题,考虑执行器和传感器之间存在采样时钟异步的情况,建立了系统离散数学模型,根据控制器接收数据包的情况,设计了系统的故障观测器,并将观测器误差系统建模为一类具有不确定性的离散切换系统,基于切换系统理论和矩阵不等式方法给出了系统的稳定性条件。然后基于观测器,分别按照系统具有控制时延和同时具有控制时延和输出时延的情况,研究了长时延网络控制系统传感器失效的完整性问题。当系统具有控制时延时,设计了系统的状态观测器,当系统同时具有控制时延和输出时延时,设计了系统的时延补偿状态观测器,考虑可能发生的传感器故障,基于观测器分别建立了两种情况下的网络控制系统增广模型,针对二次型性能指标函数,利用控制器和观测器协同设计方法和矩阵不等式方法,分别得出了系统完整性条件,给出了系统的保成本容错控制器和观测器的设计方法。 (3)研究了非线性网络控制系统的容错控制问题。针对被控对象可由Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型描述的非线性网络控制系统,当网络诱导时延为时变不确定短时延时,将系统建模为一类具有参数不确定性的T-S模糊模型。在此基础上,设计了系统的模糊状态观测器,考虑到可能发生的传感器故障,利用模糊控制理论和矩阵不等式方法,得出了观测器系统在传感器故障时具有完整性的充分条件,并给出了模糊容错控制器和模糊观测器的设计方法。进一步地,研究了系统的H∞容错控制问题,给出了使系统满足扰动抑制性能指标的模糊容错控制器和模糊观测器设计方法。 (4)研究了基于连续时间模型的变采样网络控制系统的容错控制问题。假设系统时变时延和采样间隔均有上界,利用混杂系统理论将系统建模为混杂系统。在此基础上考虑可能发生的执行器故障,应用Lyapunov稳定性理论和矩阵不等式方法,得出了保成本容错控制律的存在条件,给出了保成本容错控制器的设计方法和最小性能界的求解方法。然后考虑系统具有不确定性参数,研究了系统鲁棒容错控制器设计问题,给出了系统鲁棒容错控制器设计方法和系统完整性条件下最大时延估计值。进一步研究了系统的鲁棒H∞容错控制问题,给出了使系统满足扰动抑制性能指标的鲁棒容错控制器设计方法。
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