分布式網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)故障檢測方法研究.pdf

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

2、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的安全性和可靠性問題，重點(diǎn)研究了雙層監(jiān)控系統(tǒng)框架下的故障檢測方法，減小時(shí)延與丟包對(duì)故障檢測性能的影響。
　　 主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)是：
　　 (1)針對(duì)基于包傳輸?shù)腄NCS，建立系統(tǒng)的離散模型。
　　 在對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，引入基于包的傳輸機(jī)制用于子系統(tǒng)與中心故障檢測單元的數(shù)據(jù)傳輸中。由于各子系統(tǒng)采樣周期不同、傳輸包的大小不同，整個(gè)系統(tǒng)被看作多速率采樣系統(tǒng)，采用提升技術(shù)，獲得系統(tǒng)的離散模型并

3、給出具體理論推導(dǎo)。在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)仿真平臺(tái)，采用Truetime工具實(shí)現(xiàn)基于包的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。
　　 (2)針對(duì)考慮時(shí)延和丟包的子系統(tǒng)，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(shí)延的子系統(tǒng)，分析時(shí)延對(duì)系統(tǒng)的影響，并建立包含時(shí)延項(xiàng)的系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的魯棒濾波器，進(jìn)而獲得系統(tǒng)的擴(kuò)展模型，將故障檢測的任務(wù)轉(zhuǎn)化為選擇適當(dāng)?shù)臑V波器參數(shù)，保證擴(kuò)展系統(tǒng)漸近穩(wěn)定并滿足一定的魯棒性要求，根據(jù)

4、濾波器參數(shù)獲得系統(tǒng)的殘差用于判斷故障是否發(fā)生；然后，針對(duì)帶有狀態(tài)時(shí)延、輸入與輸出存在丟包的子系統(tǒng)，在分析丟包對(duì)系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)上，將其建模為馬爾可夫跳躍系統(tǒng)，采用魯棒濾波器設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)故障檢測；最后進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
　　 (3)針對(duì)考慮時(shí)延的中心系統(tǒng)，研究基于滑模觀測器的故障檢測方法。
　　 首先，針對(duì)子系統(tǒng)帶有狀態(tài)時(shí)延的中心系統(tǒng)，同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)完全可測時(shí)，設(shè)計(jì)滑模觀測器，將故障檢測的問題轉(zhuǎn)化為選擇滑模觀測器參數(shù)保證滑模運(yùn)

5、動(dòng)的穩(wěn)定性和可達(dá)性問題，根據(jù)這兩個(gè)條件，獲得求解滑模觀測器增益矩陣的兩個(gè)定理，并且給出理論證明。然后，針對(duì)部分狀態(tài)不可測的中心系統(tǒng)，在給出必要的假設(shè)后，引入變換矩陣用于將系統(tǒng)可測與不可測狀態(tài)分離。對(duì)于不可測部分，設(shè)計(jì)降維觀測器，而對(duì)于可測部分設(shè)計(jì)全階滑模觀測器。在獲得系統(tǒng)的誤差模型后，同樣根據(jù)滑模運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和可達(dá)性條件，求解滑模觀測器的參數(shù)和非線性輸入，進(jìn)而利用系統(tǒng)殘差判斷故障是否發(fā)生。最后通過仿真驗(yàn)證所提方法的有效性。
　　

6、 (4)針對(duì)具有周期通信序列的子系統(tǒng)，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(chǔ)上，將具有周期通信序列的子系統(tǒng)建模為切換系統(tǒng)；針對(duì)此系統(tǒng)設(shè)計(jì)故障檢測濾波器，通過選擇濾波器參數(shù)來保證殘差產(chǎn)生系統(tǒng)漸近穩(wěn)定，并使殘差信號(hào)能夠有效抑制未知輸入的影響，同時(shí)給出相關(guān)理論證明；由濾波器獲得的殘差經(jīng)過殘差評(píng)價(jià)階段的分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障檢測。仿真結(jié)果顯示所提的檢測方法對(duì)具有周期通信序列的子系統(tǒng)故障檢測的有效性。

7、r>　　 (5)針對(duì)具有確定通信邏輯的中心系統(tǒng)，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(tǒng)中，在對(duì)同步狀態(tài)估計(jì)器和邏輯判斷單元進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，獲得帶有不確定的中心系統(tǒng)模型，并設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測器進(jìn)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(shí)中心故障檢測單元的數(shù)據(jù)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(dāng)狀態(tài)發(fā)生更新時(shí)，系統(tǒng)下一時(shí)刻的狀態(tài)由實(shí)際狀態(tài)獲得，否則下一時(shí)刻的