网络化控制系统容错控制研究

论文摘要

网络化控制系统是以网络为传输介质实现信息共享与传输的反馈控制系统。网络化控制系统作为多个学科的交叉学科,涉及内容相当广泛,分析的对象不再是孤立的控制过程,而是整个网络化控制系统的稳定性分析、调度管理和鲁棒性等问题。由于网络数据信息传输的复杂性,在工程实践中,网络化控制系统对安全性、可靠性的要求很高,系统一旦发生故障,那么它带来的危害则是难以估计的,所以网络化控制系统故障诊断与容错控制是一个具有理论和现实意义的研究课题。本文基于兼顾控制性能质量(Quality of Performance, QoP)和网络服务质量(Quality of Service, QoS)的思想,提出了若干新的理论与方法,为网络化控制系统故障诊断与容错控制的研究提供了新的途径。基于H∞控制理论,本文研究了具有随机时延网络化控制系统的鲁棒故障诊断问题,以残差对扰动信号的l 2增益体现其对扰动的鲁棒性,而以其对故障信号的l 2增益表示残差对故障的灵敏度,给出了基于状态观测器的网络化控制系统鲁棒故障诊断线性矩阵不等式设计方法。由于网络带宽、承载能力的限制,使得数据的传输不可避免地存在时延、丢包等诸多问题,导致控制系统性能的下降甚至使系统不稳定。减小时延与丢包对网络化控制系统性能负面影响的有效方法是减少网络拥塞。本文将有效阈值的思想融入到网络化控制系统容错控制设计中,通过为网络节点设置有效阈值,有选择的传输数据信息,降低网络数据流量,减少拥塞,并保证系统在具有可接受的控制性能的基础上,研究了网络化控制系统完整性问题,给出了网络化控制系统传感器和执行器失效的完整性设计。针对网络化控制系统的网络时延与丢包等问题,本文还对具有模型不确定性,并具有一定的数据包丢失率和恒定时延情况下的网络化控制系统的完整性方面展开研究。将同时具有数据包丢失和网络诱导时延的网络化控制系统建模为具有事件率约束率的异步动态系统,基于异步动态系统理论,研究了网络数据信息包在单包传输和多包传输时网络化控制系统的容错控制问题,并基于线性矩阵不等式的可行解,给出了控制器的参数化表达式。由于网络化控制系统中控制与通信的相互耦合,闭环系统的稳定性不仅与控制系统本身有关,也受到网络系统信息分配方式的影响。本文基于具有通信约束的网络化控制系统模型,研究了在有系统信息丢失的情形下闭环系统的容错控制问题,给出了系统执行器失效时控制器的参数化表达式;并且基于框架化信息调度方法,研究了具有通信约束的时变时延网络化控制系统在有系统信息丢失和噪声干扰的情况下闭环系统的鲁棒稳定性问题,给出了控制器的参数化表达式。在实时网络化控制系统中,网络的加入使之不同于点对点连接的系统,调度协议的制定需要和控制对象的性能联系起来,这样才能更好的反映整个控制系统的性能。基于控制与调度协同设计的思想,本文在数据信息传输的过程中,以被控对象的误差绝对值的积分作为分配优先级的规则,对一类典型的网络化控制系统,借助鲁棒容错控制的思想,研究了基于信息调度与控制协同设计的网络化控制系统容错控制问题,并给出了系统控制器的设计方法。在这种设计方法下,当系统执行器失效时,系统的控制性能得到了较好的保证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 网络化控制系统概述
• 1.3 故障诊断与容错控制综述
• 1.4 网络化控制系统故障诊断与容错控制
• 1.5 本文研究工作和组织结构
• 2 网络化控制系统鲁棒故障诊断LMI 方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 FD 问题描述
• 2.3 NCS 的FD 问题
• 2.4 网络化控制系统故障诊断LMI 方法
• 2.5 仿真分析
• 2.6 本章小结
• 3 具有通讯约束NCS 容错控制研究
• 3.1 引言
• 3.2 有效阈值的定义
• 3.3 具有通讯约束NCS 完整性设计
• 3.4 具有通讯约束NCS 鲁棒容错控制
• 3.5 本章小结
• 4 具有数据包丢失NCS 鲁棒容错控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 单包传输NCS 容错控制（单边网络）
• 4.3 单包传输NCS 容错控制（双边网络）
• 4.4 多包传输NCS 容错控制
• 4.5 本章小结
• 5 基于信息调度NCS 容错控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于信息调度NCS 容错控制
• 5.3 基于信息调度NCS 鲁棒稳定性研究
• 5.4 本章小结
• 6 基于调度与控制协同设计NCS 鲁棒容错控制
• 6.1 引言
• 6.2 网络化控制系统建模
• 6.3 NCS 容错控制器设计
• 6.4 NCS 实时调度
• 6.5 仿真分析
• 6.6 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本文主要工作
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录攻读博士学位期间发表论文目录