网络化控制系统的建模、控制及故障检测

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随着科技的发展,网络化控制系统日益广泛的应用于各个领域,与传统的集中式控制系统和集散式控制系统相比,网络化控制系统具有结构简单、灵活性强,易于扩展、升级和维护,由于借助公用网络降低了布线成本等优点。但是由于通讯网络的引入带来了一系列的问题,如:通讯延时、数据包时序错乱、数据包丢失、网络调度和故障诊断等问题,使得系统分析设计变得复杂,并且导致系统性能下降乃至不稳定。本文针对这些问题在以下方面对网络化控制系统进行研究分析。  研究网络化控制系统的利用改进的Markov跳跃系统的建模与控制问题,以及在随机 Lyapunov函数稳定性分析方法基础上,研究依赖于延时大小和依赖于延时范围的随机跳跃 H∞状态反馈控制器的设计问题。首先我们回顾利用传统 Markov跳跃系统的网络化控制系统建模与控制的结果和不足,然后给出利用改进的Markov跳跃系统的建模形式,给出了基于线性矩阵不等式的依赖于延时大小的随机跳跃H∞控制器的存在条件并采取了CCL算法对控制器进行求解。同时,对求解过程中的某些矩阵变量加以适当约束,既可求解出相应的依赖于延时范围的随机跳跃H∞控制器。仿真算例验证了所得到的依赖于延时大小的随机跳跃H∞控制器在使闭环系统在噪声抑制方面较低的保守性,以及依赖于延时步长范围随机跳跃 H∞控制器的计算简便性。  基于随机 Lyapunov函数的方法,研究了利用不确定转移概率 Markov随机跳跃系统对网络化控制系统建模的改进。同时给出了依赖于延时步长大小和依赖于延时范围的随机跳跃 H∞状态反馈控制器的设计问题。首先通过采用一种控制器端计算并传送控制指令集合、执行器端根据延时信息来选择控制器增益的网络化控制系统框架,以实现多个控制器增益依赖于延时或延时范围跳转的控制器设计。进而,在对网络化控制系统利用随机跳跃系统理论建模的基础上,基于线性矩阵不等式技术,给出了依赖于延时大小和延时范围的随机跳跃 H∞控制器的存在条件,并采取了 CCL算法对控制器进行求解。仿真算例验证了所得到的依赖于时大小的随机跳跃 H∞控制器在使闭环系统噪声抑制方面的较低保守性,以及依赖于延时步长范围的切换 H∞控制器的较高实用性。从而在不能获得准确的转移概率的背景下,使利用Markov跳跃系统进行对系统的建模及控制成为了可能。本章中所利用的方法、思想及结果可扩展到网络化输出反馈控制及其它控制问题中。  研究了采样镇定控制问题以及采样保性能控制问题。首先将时间驱动的网络化系统建模成时滞采样控制系统,然后针对该时滞采样控制系统,基于Lyapunov渐近稳定性分析方法,提出了一种新的网络化系统的采样控制器设计方法,并且在此基础上,设计和实现了网络化系统的保性能采样控制器。  针对一类具有网络诱导时延和范数有界未知输入影响的网络控制系统,研究了故障诊断滤波器的设计问题。目的是设计一个故障滤波残差产生系统,使残差信号对扰动信号和其它未知输入具有较高的鲁棒性,并且对故障信号具有较高的灵敏度。采用缓冲区技术将时变的网络诱导时延转化为确定性时延,然后分别基于状态观测器方法和直接估计的方法研究了长时延情况下的网络控制系统故障诊断滤波器设计问题,得到了具有 LMI描述的鲁棒H∞性能准则以及故障诊断滤波器的存在条件和设计方法,采用阈值逻辑法评价所产生的残差信号,以提高故障检测系统的鲁棒性。
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