网络控制系统自适应容错控制方法研究

摘要

随着现代科技水平的飞速发展以及计算机技术、信息技术、控制技术和网络通信技术的发展及其相互渗透，网络控制技术已经得到广泛的应用。网络通讯技术在运行中仍需要解决两类问题:一是系统自身存在的问题，如时延、丢包和拥塞等;另一是组成系统软硬件问题，如执行器和通讯衰减等在系统运行中所出现的故障，影响系统的正常运行，甚至失效。本文采用自适应容错控制的方法来解决网络化系统可靠性和安全性问题。自适应本身就具有自校正功能，而容错控制又有修复故障的功能，两者结合在一起就能使系统发生故障后仍能保持或者接近原有系统性能。论文的主要工作如下: (1)对网络控制系统中时延的形成和特性进行了分析并给出含有执行器故障和通讯衰减故障的网络控制系统模型。提出一种基于时间戳的网络时延测量方法，对大量的随机时延测量值进行奇异值剔除预处理。运用随机估计理论，将随机时延测量值应用基于离散二次型指标的估计方法转化为时延估计值，有利于自适应容错控制方法的应用。 (2)针对含有部分失效、中断、偏移和卡死的执行器故障和网络通信衰减的主从网络控制系统，提出一种基于故障和控制器参数估计的分布式自适应容错控制方法，以解决主从控制系统的容错同步控制问题。通过设计一系列自适应律在线估计控制器增益、执行器故障失效因子和网络衰减因子，并利用这些信息构建自适应容错控制器，解决外部扰动对系统指标的影响，并使各分系统状态稳定并趋于一致。通过运用李雅普诺夫稳定性定理证明，本文所提出的设计方法能使系统渐近同步稳定。 (3)给出了一种直接自适应容错控制方法，该控制器不需对故障参数进行估计，可直接在线更新控制器参数，补偿故障的不良影响，实现了含有随机时延的网络主从系统全局指数渐近同步。根据李雅普诺夫稳定性理论，证明了所提出的设计方案能保证含有时延和故障的网络主从控制系统渐近稳定。仿真算例运行结果表明:所提出的直接分布式自适应容错控制方法计算量较小，易于实现。 (4)在利用自适应机构补偿故障的同时，重点研究了容错控制方法在系统运行中的优化问题。结合自适应系统和线性矩阵不等式方法设计容错控制器，使网络控制系统不仅能补偿故障、扰动和时延，还能优化系统性能。同时，针对网络控制系统中的软硬件故障和扰动，本文研究了其鲁棒容错自适应控制问题。提出一种输出反馈自适应鲁棒容错控制器设计方法，使得系统不仅能够稳定而且具有一定的次优容错H∞性能。 (5)分别在两个广泛应用的工业网络控制平台上，构建了罗克韦尔自动化网络下的多轴伺服控制系统和西门子Profinet下的多搅拌器控制系统。系统实际运行结果表明了本文所提出的自适应容错同步控制策略和时延测量方法的有效性和正确性。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1背景与意义

1．2网络控制系统概况

1．2．1网络控制系统的网络拓扑结构

1．2．2网络控制系统自身的特殊问题及运行中的故障问题

1．2．3网络控制系统发展现状及研究方法

1．3网络控制系统的容错控制

1．3．1容错控制概述

1．3．2容错控制的研究方法与热点问题

1．3．3网络控制系统的自适应容错控制

1．4论文的结构及研究内容

第二章网络控制系统模型研究

2．1网络控制系统模型的一般形式

2．2网络控制系统主从同步控制模型

2．3网络控制系统故障的数学表示

2．3．1执行器故障

2．3．2通讯衰减故障

2．3．3系统状态故障

2．4网络控制系统时延分析及估计

2．4．1网络时延的分析及测量

2．4．2基于离散二次型指标的网络时延估计

2．5本章小结

第三章基于参数估计的自适应容错主从同步控制

3．1存在故障的网络系统容错控制问题

3．2基于故障和控制器参数估计的自适应容错控制系统设计

3．3仿真算例

3．4本章小结

第四章带有随机时延的直接自适应容错主从同步控制

4．1存在故障的时延网络系统容错控制问题

4．2直接自适应容错控制系统设计

4．3仿真算例

4．4本章小结

第五章基于动态输出反馈的自适应容错H∞控制

5．1存在故障和时延的网络系统鲁棒容错控制问题

5．2动态输出反馈自适应容错H∞控制器设计

5．3仿真算例

5．4本章小结

第六章网络控制系统实验平台开发

6．1罗克韦尔网络平台下的多轴伺服控制系统

6．1．1基于网络的伺服系统硬件结构

6．1．2基于网络的伺服系统软件设计

6．1．3基于网络的伺服系统自适应PI位置控制

6．2西门子Profinet下的多搅拌器控制系统

6．2．1搅拌器控制系统的网络结构

6．2．2搅拌器控制系统的基本组成

6．2．3搅拌器控制系统的工作原理

6．2．4搅拌器控制系统的软件设计

6．3本章小结

第七章结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所做的主要工作

作者简介