几种网络控制系统的故障检测与容错控制研究

【摘要】： 通过通信网络实现地域上分布的系统部件之间的信息交互,形成闭环反馈的控制系统被称为网络控制系统(Networked Control System, NCS)。网络控制系统具有连线少、占用空间少、实现成本低、安装维护方便等优点,但网络本身的复杂性,给系统的分析和设计带来了困难,也使得网络控制系统在工程应用中对安全性、可靠性的要求更高。在含有时延和数据包丢失的网络环境下,本文以几种不同的网络控制系统为研究对象,研究了它们的故障检测与容错控制问题,以期提高NCS的安全性和可靠性,为其能更好的应用于工程实际做好理论铺垫。本文的主要研究成果如下： (1)针对包含时延且丢包率已知的网络控制系统,提出了一种基于观测器的故障检测方法。利用异步动态系统理论,给出了故障观测器指数稳定的充分条件及其设计方法。针对丢包率未知的NCS,将系统建模为含有四个模态的马尔可夫跳变系统,提出了一种鲁棒故障检测方法。利用马尔可夫跳变系统理论设计了故障检测滤波器,使得残差动态系统均方稳定且具有一定的扰动抑制水平。考虑参数不确定性和执行器连续增益故障的情况,给出了闭环故障系统均方稳定的充分条件和容错控制器的设计方法。 (2)针对包含马尔可夫随机时延的NCS,提出了一种鲁棒故障检测方法和一种容错控制器设计方法。通过构造系统的残差发生器,将相应的故障检测问题转化为H∞滤波问题,给出了基于线性矩阵不等式形式的故障检测滤波器存在的充分条件及其设计方法。采用锥补线性化技术,给出了基于动态输出反馈的容错控制器的设计方法。 (3)考虑丢包过程满足有限状态马尔可夫链性质,针对多执行器失效故障,提出了一种NCS主动容错控制策略。设计了系统的保性能被动容错控制器：在此基础上,为提高控制性能,分别针对不同的执行器失效模式,给出了丢包网络环境下系统的主动容错控制策略和设计方法。 (4)针对包含时延和丢包的一种连续时间NCS,提出了一种保性能容错控制器和一种鲁棒H∞容错控制器的设计方法。通过引入积分不等式和松弛矩阵变量,给出了此种系统基于矩阵不等式表示的保性能容错控制器存在的充分条件及其设计方法；考虑系统具有参数不确定性,通过引入新的Lyapunov-Kraso vskii泛函,得到了保守性较小的故障系统鲁棒稳定性条件,并给出了使故障系统满足给定的扰动抑制性能指标的鲁棒H∞容错控制器的设计方法。 (5)针对一种由T-S模糊模型描述的非线性NCS,研究了包含时延和丢包情况下系统的故障检测与容错控制问题。给出了系统故障观测器增益的设计方法,保证了残差信号对故障信号敏感且对干扰具有一定的鲁棒性；针对包含参数不确定性的非线性NCS,提出了一种鲁棒H∞模糊容错控制器设计方法。采用时滞依赖的分析方法,获得了系统鲁棒稳定条件。并引入锥补线性化方法,给出了求解控制器的迭代算法。 最后,在总结全文工作的基础上,给出了本文后续需进一步探讨的一些问题。