事件触发非均匀传输NCS鲁棒容错与通讯的满意协同设计

摘要

近年来，尽管在网络化控制系统(Networked Control Systems,NCS)的容错控制研究领域已取得了不少成果，但被动容错远多于主动容错，时间触发机制下孤立进行容错设计的结果远多于事件触发机制下进行容错与通讯协同设计的结果。随着NCS这一控制与通讯的集成产物对系统安全性和网络资源节约性要求的日益增高，NCS容错控制研究领域仍面临着许多新的问题，诸如：如何实现NCS主动容错中故障估计、故障调节与网络通讯间的协同设计，如何实现具有多目标约束的NCS鲁棒被动容错与网络通讯间的协同设计，又如何使设计结果具有较少的保守性以更好的平衡离散事件触发通讯机制(Discrete Event-triggered Communication Scheme,DETCS)中变传输周期与系统性能间的关系等等。着眼于上述问题，本文展开了如下工作：
　　1)研究了具有执行器饱和约束的不确定线性和非线性NCS的鲁棒被动容错与网络通讯间的满意协同设计问题。建立了DETCS下涵盖执行器饱和约束、网络时延、事件触发通讯约束的线性和T-S模糊非线性NCS的不确定闭环故障模型。将α-稳定性的定义引申为容错系统的α-安全度，并提出了具有α-安全度的容错吸引域和具有α-安全度的容错收缩不变集的相关定义，用于处理具有执行器饱和约束的 NCS容错控制问题。基于Lyap uno v稳定性理论和改进的Je nse n不等式，分别推证出了具有α-安全度、α-安全度和H∞-性能、α-安全度和H∞/H2-性能的不确定闭环故障NCS的鲁棒被动容错与网络通讯间的满意协同设计方法。
　　2)在非均匀传输周期下，研究了具有执行器饱和约束的不确定线性和非线性NCS的鲁棒被动容错与网络通讯间的满意协同设计问题。将DETCS下非均匀传输NCS的采样器与事件发生器虚拟为一个非均匀采样开关，进而基于非均匀采样系统的理论来研究非均匀传输问题。基于文中提出的新型数据发送区间的剖分方法，建立了非均匀传输下带执行器饱和约束的线性和T-S模糊非线性NCS的不确定闭环故障模型；基于非连续的 Lyapunov稳定性理论、Wirtinger’s不等式和线性凸组合理论，分别推导出了具有α-安全度、α-安全度和H∞-性能、α-安全度和H∞/H2-性能的不确定闭环故障NCS的鲁棒被动容错与网络通讯间的满意协同设计方法。由于该方法具有更少的保守性，因此更易提高容错与通讯间的协同设计满意度。
　　3)在非均匀传输周期下，研究了具有执行器饱和约束的线性和非线性NCS的鲁棒主动容错与网络通讯间的满意协同设计问题。提出了将状态、故障估计与控制、调节置于智能传感器和控制器中分布实施的系统架构。基于等物理采样周期的时间触发观测器和虚拟变采样周期的事件触发控制器，建立了主动容错框架下线性和T-S模糊非线性NCS的闭环故障模型。基于Lyapunov稳定性理论和线性凸组合理论，首先在等物理采样周期下通过采用连续时间状态观测器提出了具有广义H∞性能的状态和故障估计方法；进而又在非均匀传输周期下，通过采用动态输出反馈先后提出了闭环故障NCS分别具有α-稳定性、α-稳定性和广义H∞-性能，α-稳定性和广义H∞/H2-性能的主动容错和网络通讯间的满意协同设计方法。
　　4)对1)～3)中的理论结果进行了有效性、相容性与保守性的研究，验证了结果的有效性，揭示了适用于NCS容错与网络通讯间协同设计的定性折中原则，并探寻出事件触发参数的量化选取依据。采用经典的算例，先验证了理论结果的正确性与有效性。进而通过大量的仿真实验，揭示出了容错控制与网络通讯间、及不同的系统性能间存在着相容相斥的折中类定性关系；进一步又深入探究了事件触发参数ó与数据发送率ns间的关系，通过数据拟合得到了ó-ns间的定量数学表达式，为在给定网络通讯资源约束下进行NCS容错与通讯的协同设计提供了ó选取的量化依据。
　　5)搭建了具有执行器饱和约束的NCS被动容错及主动容错的实验平台，对文中提出的协同设计理论结果进行了实验研究。借助于工控行业的软件接口标准（OLEfor Process Control,OPC）等通讯技术及先进控制实验室现有实验设备，基于校园局域网，搭建了DETCS下具有执行器饱和约束的NCS被动容错实验平台，基于3)中提出的估计与控制、调节的分步实施理念，搭建了DETCS下的主动容错控制实验平台，并对被动容错和主动容错中的协同设计方法进行工程可用性验证及分析研究，得到了与单机版仿真结果相一致的结论。

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附表索引

第 1 章 绪 论

1.1 研究目的与意义

1.2 NCS容错控制的研究现状

1.3 考虑执行器饱和约束的NCS研究现状

1.4 非均匀传输NCS的研究现状

1.5 存在的问题与不足

1.6 论文的研究内容和组织架构

1.7 本章小结

第 2 章 执行器饱和线性NCS的鲁棒被动容错与通讯的满意协同设计

2.1 引言

2.2 问题描述

2.3 执行器饱和约束线性NCS具有 -安全度的鲁棒容错与通讯的协同设计

2.4 执行器饱和约束线性 NCS 具有 -安全度和 -性能的鲁棒容错与通讯的协同设计

2.5 执行器饱和线性NCS具有多目标约束的鲁棒容错与通讯的满意协同设计

2.6 本章小节

第 3 章 基于T-S模糊方法的执行器饱和非线性NC S的鲁棒被动容错与通讯的满意协同设计

3.1引言

3.2 问题描述

3.3 执行器饱和非线性 NCS 具有 -安全度的鲁棒容错与通讯的协同设计

3.4 执行器饱和非线性NCS具有 -安全度和 -性能的鲁棒容错与通讯的协同设计

3.5 执行器饱和非线性 NCS 具有多目标约束的鲁棒容错与通讯的满意协同设计

3.6 本章小结

第 4 章 非均匀传输下执行器饱和NC S的鲁棒被动容错与通讯的满意协同设计

4.1 引言

4.2 问题描述

4.3 非均匀传输下执行器饱和线性NCS具有多目标约束的鲁棒容错与通讯的满意协同设计

4.4 非均匀传输下执行器饱和非线性NCS具有多目标约束的鲁棒容错与通讯的满意协同设计

4.5 本章小结

第 5 章 非均匀传输下执行器饱和线性NC S的鲁棒主动容错与通讯的满意协同设计

5.1 引言

5.2 问题描述

5.3 非均匀传输下执行器饱和线性NCS具有多目标约束的鲁棒故障调节与通讯的满意协同设计

5.4 仿真实验与结果分析

5.5 本章小结

第 6 章 非均匀传输下执行器饱和非线性NC S的鲁棒主动容错与网络通讯的满意协同设计

6.1引言

6.2 问题描述

6.3 非均匀传输下执行器饱和非线性NCS具有多目标约束的鲁棒故障调节与通讯的满意协同设计

6.4 仿真实验与相容性分析

6.5 本章小结

第 7 章 DETCS下执行器饱和NCS鲁棒容错与通讯间满意协同设计的实验研究

7.1 引言

7.2 DETCS下执行器饱和NCS实验平台的设计与构建

7.3执行器饱和NCS鲁棒被动容错与通讯间协同设计的实验研究

7.4 执行器饱和NCS鲁棒主动容错与通讯间协同设计的实验研究

7.5 本章小结

结论与展望

1.结 论

2.展 望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文和参与科研项目