分布式網絡化控制系統故障檢測方法研究.pdf

1、分布式網絡化控制系統(DNCS)由于其成本低、靈活性高、資源共享、安裝維護簡單等優(yōu)點，已成為學術界和工業(yè)界的研究熱點之一。DNCS跟傳統控制系統一樣會發(fā)生各種各樣的故障，并且DNCS的各種特性，如時延、丟包與帶寬約束等會加劇故障對系統性能的影響，甚至使得系統不穩(wěn)定，從而可能造成災難和損失，而且故障的發(fā)生頻率與系統龐大的規(guī)模和網絡化環(huán)境形成了尖銳的矛盾。因此，如何提高分布式網絡化控制系統的安全性、可靠性就顯得尤為重要和緊迫。論文針對分布式

2、網絡化控制系統的安全性和可靠性問題，重點研究了雙層監(jiān)控系統框架下的故障檢測方法，減小時延與丟包對故障檢測性能的影響。
　　 主要研究內容和創(chuàng)新點是：
　　 (1)針對基于包傳輸的DNCS，建立系統的離散模型。
　　 在對系統特性進行分析的基礎上，引入基于包的傳輸機制用于子系統與中心故障檢測單元的數據傳輸中。由于各子系統采樣周期不同、傳輸包的大小不同，整個系統被看作多速率采樣系統，采用提升技術，獲得系統的離散模型并

3、給出具體理論推導。在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建系統仿真平臺，采用Truetime工具實現基于包的數據傳輸機制。
　　 (2)針對考慮時延和丟包的子系統，研究基于魯棒濾波器的故障檢測方法。首先，考慮考慮狀態(tài)、輸入與輸出時延的子系統，分析時延對系統的影響，并建立包含時延項的系統模型，設計系統的魯棒濾波器，進而獲得系統的擴展模型，將故障檢測的任務轉化為選擇適當的濾波器參數，保證擴展系統漸近穩(wěn)定并滿足一定的魯棒性要求，根據

4、濾波器參數獲得系統的殘差用于判斷故障是否發(fā)生；然后，針對帶有狀態(tài)時延、輸入與輸出存在丟包的子系統，在分析丟包對系統影響的基礎上，將其建模為馬爾可夫跳躍系統，采用魯棒濾波器設計方法，實現故障檢測；最后進行仿真驗證。
　　 (3)針對考慮時延的中心系統，研究基于滑模觀測器的故障檢測方法。
　　 首先，針對子系統帶有狀態(tài)時延的中心系統，同時當系統狀態(tài)完全可測時，設計滑模觀測器，將故障檢測的問題轉化為選擇滑模觀測器參數保證滑模運

5、動的穩(wěn)定性和可達性問題，根據這兩個條件，獲得求解滑模觀測器增益矩陣的兩個定理，并且給出理論證明。然后，針對部分狀態(tài)不可測的中心系統，在給出必要的假設后，引入變換矩陣用于將系統可測與不可測狀態(tài)分離。對于不可測部分，設計降維觀測器，而對于可測部分設計全階滑模觀測器。在獲得系統的誤差模型后，同樣根據滑模運動的穩(wěn)定性和可達性條件，求解滑模觀測器的參數和非線性輸入，進而利用系統殘差判斷故障是否發(fā)生。最后通過仿真驗證所提方法的有效性。
　　

6、 (4)針對具有周期通信序列的子系統，研究基于魯棒濾波器的故障檢測方法。
　　 在分析周期通信序列原理和特性的基礎上，將具有周期通信序列的子系統建模為切換系統；針對此系統設計故障檢測濾波器，通過選擇濾波器參數來保證殘差產生系統漸近穩(wěn)定，并使殘差信號能夠有效抑制未知輸入的影響，同時給出相關理論證明；由濾波器獲得的殘差經過殘差評價階段的分析，實現系統故障檢測。仿真結果顯示所提的檢測方法對具有周期通信序列的子系統故障檢測的有效性。

7、r>　　 (5)針對具有確定通信邏輯的中心系統，研究基于狀態(tài)觀測器的故障檢測方法。
　　 首先，將確定通信邏輯引入中心系統中，在對同步狀態(tài)估計器和邏輯判斷單元進行分析和設計的基礎上，獲得帶有不確定的中心系統模型，并設計狀態(tài)觀測器進行故障檢測。然后，考慮丟包情況下的中心故障檢測方法。此時中心故障檢測單元的數據是否更新取決于兩者，即通信邏輯單元的判斷和是否發(fā)生丟包，當狀態(tài)發(fā)生更新時，系統下一時刻的狀態(tài)由實際狀態(tài)獲得，否則下一時刻的