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网络控制系统的故障检测与诊断技术

张捷  
【摘要】:本文研究了网络控制系统的故障检测与诊断技术,主要内容如下: (1)研究了具有输出时延和数据包丢失的网络控制系统的故障检测与诊断问题。假定系统的各个节点均为时间驱动方式,在离散动态模型的基础上,分别采用了基于固定输出时延、时延补偿和等分采样的NCS故障检测法,对网络控制系统进行了故障检测研究。通过建立故障观测器,利用Lyapunov稳定性理论,得出了观测器系统的稳定性条件。在故障检测的基础上,采用并行鲁棒故障观测器和方向性残差向量的方法,对故障进行了分离,实现了故障诊断。 (2)研究了具有控制时延的网络控制系统的鲁棒故障检测问题。针对传感器节点为时间驱动,控制器和执行器节点为事件驱动的网络控制系统,建立了具有参数不确定性的离散时间系统模型。当不存在数据包丢失现象时,构建了故障观测器,得到了状态估计误差方程,并将观测器系统的稳定条件归结为一个线性矩阵不等式。当存在数据包丢失现象时,在一定的丢包率情况下,将故障观测器构建成离散切换系统模型,进行了故障检测的研究,并给出了系统均方渐近稳定的条件。当系统同时存在控制时延和数据包丢失,且具有外加干扰输入时,研究了系统的鲁棒仇故障检测问题,并对鲁棒性和灵敏度进行了综合分析。 (3)通过滤波器和预估器的方法对长时延网络控制系统进行故障检测与诊断研究。考虑一类时延网络控制系统,提出了一种具有时延补偿功能的卡尔曼滤波器设计方法,并对系统进行状态估计。通过对系统时延特性的研究,采用变分法推导出了时延网络控制系统的离散时间卡尔曼滤波公式,给出了具体的最优线性递推滤波算法。并且在对系统进行故障检测方面,提出了一种新的组合式X2检验法。其次,通过对网络控制系统时延采样值进行神经网络预测,建立了基于神经网络预测的故障观测器误差方程,并证明了该观测器稳定的条件。最后,给出了RBF神经网络故障分离方法。 (4)研究了采用无线传输的网络控制系统故障检测问题。介绍了无线网络的类型,以及无线网络控制系统的主要研究内容。考虑传感器与控制器之间采用无线传输,且被控对象为非线性模型的一类无线网络控制系统,利用模糊主导子系统的思想,设计了基于局部T-S模糊模型的模糊观测器,并给出了全局渐近稳定的充分条件。同时,考虑了一类由无线传感器网络组成的网络控制系统,假定其存在输出时延,对其进行故障检测。通过研究无线传感器网络数据传输特性,建立了基于离散切换系统的故障观测器,并将观测器稳定条件归结为一个线性矩阵不等式。当系统正常时,只要给定的不等式条件成立,该观测器系统就是稳定的。当系统发生故障时,观测器残差能够迅速发生跳变,从而检测出故障的发生 (5)构建了网络控制系统故障诊断仿真平台。首先归纳理想NCS仿真平台所应具有的品质,然后以其为指导提出了一种新的NCS故障诊断仿真平台实现框架,并基于Delphi、ADS1.2等软件平台和硬件组件实现了网络控制系统故障诊断仿真平台。该仿真平台突破时延小于一个采样周期的限制,提供不同模块的多种选择属性,从而克服了已有NCS仿真平台的不足,增强了仿真平台的有效性和灵活性。并且实现了对控制系统在网络环境下操作的模拟,以及对网络控制系统故障检测与诊断方法的仿真验证。


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