具有时延和丢包的线性NCS时滞依赖鲁棒容错控制研究

论文摘要

网络化控制系统（Networked control system,NCS）是一种通过实时通讯网络构成闭环的反馈控制系统。因其连线少,成本低,资源共享,便于安装、维护、扩展和故障诊断等优点,已被广泛应用于航空航天、石油化工、制造业等复杂系统中。但通讯网络的介入,受带宽限制和传输不可靠的影响,网络时延、数据丢包不可避免,加之网络带来的各种不确定性,使网络传输的数据也失去了定常性、因果性和确定性;此外多数NCS规模更加庞大,结构更加复杂,且故障诱发因素众多,系统一旦发生故障,损失将难以估量,因此通过对NCS进行容错设计,使其具有高安全可靠性变得尤为复杂和重要。目前NCS容错控制研究还处于起步阶段,现有成果还存在诸多局限,如:对网络诱导时延和数据丢包考虑较为单一,时延多以小于一个采样周期的情况建模,控制策略主要采用状态反馈,系统性能以鲁棒完整性或鲁棒H∞完整性为主,其结论保守性相对较大等。基于此,本文针对同时具有时变时延和丢包的线性不确定NCS,将数据包丢失看成一种特殊时延,从减少保守性入手,以时滞依赖的方法,综合应用Lyapunov稳定性理论、线性矩阵不等式（Linear matrix inequality,LMI）、积分不等式等方法和技术,分别采用状态反馈或动态输出反馈控制律,较为系统地在理论层面给出了系统具有鲁棒完整性及具有一定性能约束的鲁棒容错判别准则和相应控制器的设计方法,并对所有结果进行了有效性和正确性的仿真实验研究,主要工作可归结为以下几个方面:1)基于状态反馈的不确定线性NCS鲁棒容错控制研究针对不确定线性NCS,同时考虑时变时延和数据丢包、或不确定有界扰动的影响,采用状态反馈控制策略,以保守性相对较小的时滞依赖方法,通过构造适当的Lyapunov-Krasovskii泛函,采用积分不等式、自由权矩阵等技术,针对可能的执行器或传感器失效故障,推证出了系统具有鲁棒完整性及具有一定性能约束的鲁棒H∞、鲁棒保性能、鲁棒H∞保性能的时滞依赖充分条件,并以一个LMI约束的和线性目标函数的凸优化方式,给出了NCS最优性能指标或最小扰动抑制率的控制器优化设计方法。2)基于动态输出反馈的不确定线性NCS的鲁棒容错控制研究针对不确定线性NCS,同时考虑时变时延和数据丢包、或不确定有界扰动的影响,采用动态输出反馈控制策略,以保守性相对较小的时滞依赖方法,通过构造一种包含三重积分项的Lyapunov-Krasovskii泛函,采用积分不等式技术,针对可能的执行器或传感器失效故障,推证出了系统具有鲁棒完整性及具有一定性能约束的鲁棒H∞、鲁棒保性能、鲁棒H∞保性能的时滞/时滞变化率依赖的充分条件,并以一个LMI约束的和线性目标函数的凸优化方式,给出NCS具有最优性能指标或最小扰动抑制率控制器的优化设计方法。3)在采用动态输出反馈控制策略时,对时延进行了更切合实际和一般性的分段处理,并构造了一种同时包含二重积分和三重积分项的Lyapunov-Krasovskii泛函,推证中未进行模型转化,对于Lyapunov泛函导数上界的处理时,在尽可能少放大的基础上保留了所有有用项,所给结果充分运用了时延的各种信息,尤其是各段时延的下界信息,使结论具有较小的保守性;同时,积分不等式技术的使用减少了自由权矩阵的引入,降低了计算量,这些均使控制器设计的可行性及容错满意度得到了提高。4)在上述理论研究的基础上,采用实例对所有结果进行了仿真研究,结果表明文中所给结论均是正确有效性,这为同时具有时变时延和丢包的线性不确定NCS容错设计提供了一定的理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的目的和意义
• 1.2 网络化控制系统概述
• 1.2.1 NCS 基本结构与特征
• 1.2.2 NCS 基本问题
• 1.2.3 NCS 主要研究内容
• 1.3 容错控制概述
• 1.3.1 容错控制简介
• 1.3.2 容错控制主要研究内容
• 1.3.2.1 被动容错控制
• 1.3.2.2 主动容错控制
• 1.4 网络化控制系统被动容错控制综述
• 1.5 本文主要研究内容及组织结构
• 第2章 线性NCS 描述及相关准备知识
• 2.1 NCS 时延描述
• 2.1.1 状态反馈下NCS 时延描述
• 2.1.2 动态输出反馈下NCS 时延描述
• 2.2 具有时变时延和丢包的闭环故障线性NCS 模型
• 2.2.1 状态反馈下闭环故障线性NCS 模型
• 2.2.2 动态输出反馈下闭环故障线性NCS 模型
• 2.3 相关准备知识
• 2.3.1 Lyapunov 稳定性理论
• 2.3.2 LMI 相关理论
• 2.3.2.1 LMI 表示方法
• 2.3.2.2 矩阵的 Schur 补性质
• 2.3.3 其它相关引理
• 第3章 基于状态反馈的线性不确定NCS 时滞依赖鲁棒容错控制研究
• 3.1 引言
• 3.2 基于状态反馈的线性不确定NCS 时滞依赖鲁棒完整性设计
• 3.2.1 NCS 鲁棒完整性设计目标
• 3.2.2 执行器失效故障时NCS 状态反馈时滞依赖鲁棒完整性设计
• 3.2.3 传感器失效故障时NCS 状态反馈时滞依赖鲁棒完整性设计
• 3.2.4 仿真算例及结果分析
• 3.3 基于状态反馈的线性不确定NCS 时滞依赖H∞鲁棒完整性设计
• 3.3.1 NCS H∞鲁棒完整性设计目标
• 3.3.2 执行器失效故障时NCS 状态反馈时滞依赖H∞鲁棒完整性设计
• 3.3.3 传感器失效故障时 NCS 状态反馈时滞依赖 H
• 3.3.4 仿真算例及结果分析
• 3.4 基于状态反馈的线性不确定NCS 时滞依赖保性能鲁棒容错设计
• 3.4.1 NCS 保性能鲁棒容错设计目标
• 3.4.2 执行器失效故障时NCS 状态反馈时滞依赖保性能鲁棒容错设计
• 3.4.2.1 保性能鲁棒容错设计
• 3.4.2.2 控制器的优化设计
• 3.4.3 传感器失效故障时NCS 状态反馈时滞依赖保性能鲁棒容错设计
• 3.4.4 仿真算例及结果分析
• 3.5 基于状态反馈的线性不确定NCS 时滞依赖H∞保性能鲁棒容错设计
• 3.5.1 NCS H∞保性能鲁棒容错设计目标
• 3.5.2 执行器失效故障时NCS 状态反馈时滞依赖H∞保性能鲁棒容错设计
• 3.5.2.1 H∞保性能鲁棒容错设计
• 3.5.2.2 控制器的优化设计
• 3.5.3 传感器失效故障时NCS 状态反馈时滞依赖H∞保性能鲁棒容错设计
• 3.5.4 仿真算例及结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于动态输出反馈的线性不确定NCS 时滞依赖鲁棒容错控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于动态输出反馈的线性不确定NCS 时滞依赖鲁棒完整性设计
• 4.2.1 NCS 鲁棒完整性设计目标
• 4.2.2 执行器失效故障时NCS 动态输出反馈时滞依赖鲁棒完整性设计
• 4.2.3 传感器失效故障时NCS 动态输出反馈时滞依赖鲁棒完整性设计
• 4.2.4 仿真算例及结果分析
• 4.3 基于动态输出反馈的线性不确定NCS 时滞依赖H∞鲁棒完整性设计
• 4.3.1 NCS H∞鲁棒完整性设计目标
• 4.3.2 执行器失效故障时NCS 动态输出反馈时滞依赖H∞鲁棒完整性设计
• 4.3.3 传感器失效故障时NCS 动态输出反馈时滞依赖H∞鲁棒完整性设计
• 4.3.4 仿真算例及结果分析
• 4.4 基于动态输出反馈的线性不确定NCS 时滞依赖保性能鲁棒容错设计
• 4.4.1 NCS 保性能鲁棒完整性设计目标
• 4.4.2 执行器失效故障时NCS 动态输出反馈时滞依赖保性能鲁棒容错设计
• 4.4.2.1 保性能鲁棒容错设计
• 4.4.2.2 控制器的优化设计
• 4.4.3 传感器失效故障时NCS 动态输出反馈时滞依赖保性能鲁棒容错设计
• 4.4.4 仿真算例及结果分析
• 4.5 基于动态输出反馈的线性不确定NCS 时滞依赖H∞保性能鲁棒容错设计
• 4.5.1 NCS H∞保性能鲁棒容错设计目标
• 4.5.2 执行器失效故障时NCS 动态输出反馈时滞依赖H∞保性能鲁棒容错设计
• 4.5.2.1 H∞保性能鲁棒容错设计
• 4.5.2.2 控制器的优化设计
• 4.5.3 传感器失效故障时NCS 动态输出反馈时滞依赖H∞保性能鲁棒容错设计
• 4.5.4 仿真算例及结果分析
• 4.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文