基于事件触发机制的离散系统输出反馈控制与故障检测

摘要

网络控制系统(networked control systems，NCSs)是集通信、计算和控制于一体的闭环分布式控制系统，通过共享网络传递信息，能够降低系统安装与维护的难度和成本。然而，NCSs中各节点或不同系统之间数据通信较为频繁时，则会产生时延、丢包、错序等现象。为解决这一问题，学者们提出了事件触发机制(event-triggered scheme，ETS)，该机制能有效降低网络中数据传输频率，减轻网络拥堵，对于维护系统稳定有着重要意义。　　NCSs中经常发生传感器偏置、漂移等故障，为维持系统正常运转，故障检测(fault detection，FD)不可或缺。将ETS引入FD，能减少数据传输，提高FD效率。但ETS会导致信息丢失，影响检测精度。如何克服ETS的缺点，从而提升FD精度，值得深入探索。　　人们享受网络给生活带来便利性的同时，也承受着由安全隐患造成的风险，因网络攻击影响整个网络化系统的正常运行，甚至导致事故产生。因此网络攻击问题值得深入研究。　　本文针对ETS下的NCSs进行分析，并给出相应的研究方案，主要内容如下:　　(1)介绍NCSs与ETS的研究背景、目的与意义。并针对基于ETS的NCSs中存在的时延、量化误差、故障检测以及网络攻击等问题，分析国内外研究现状，总结研究方法。　　(2)针对离散NCSs，研究动态输出反馈控制(dynamic output feedback control，DOFC)问题。在输出端设置ETS，用Markov过程对时延建模，模拟随机时延对系统的影响。在传感器-控制器、控制器-执行器信道上设置量化器，量化器的密度为时延的函数。构造Lyapunov-Krasovskii泛函，获得随机稳定性判据，以及ETS与DOFC的联合设计方案。　　(3)针对具有未知输入的离散NCSs，提出一种权衡事件触发优化故障检测方案。针对测量输出，设计一种新的ETS，构建故障检测与隔离(fault detection and isolation，FDI)模块，其残差生成器能实现对故障的敏感性和对扰动的鲁棒性，并利用在线残差和时变阈值判断是否产生故障。该ETS能够克服由传统ETS造成的信息丢失的缺点，提高FD精度，降低漏检率(missed detection rate，MDR)。　　(4)针对欺骗攻击下的离散Markov跳变系统，提出DOFC策略。在具有欺骗攻击的双通道上设置独立的ETS以减少数据和控制器应对攻击的动作次数，并设置双量化器，深入优化网络传输。构造Lyapunov-Krasovskii泛函，获得稳定性判据，以及ETS与DOFC的联合设计方案，实现对网络资源的节省和对网络攻击下系统的安全控制。　　(5)总结研究内容，确定未来的研究工作方向。

目录

声明

摘要

符号注释

第一章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2课题研究现状分析

1．3本文研究内容及结构安排

第二章基础理论和预备知识

2．1稳定性理论分析

2．2线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality)

2．3离散Markov跳变系统

2．4欺骗攻击

2．5本章小结

第三章基于事件触发机制的离散Markov跳变系统动态输出反馈控制

3．1引言

3．2问题描述

3．3主要结果

3．4数值仿真

3．5本章小结

4．1引言

4．2系统描述

4．3主要结果

4．3．1最优残差生成器设计

4．3．2阈值生成与残差评估

4．4仿真实例

4．4．1数值仿真

4．4．2在CSTR中的应用

4．5本章小结

第五章欺骗攻击下离散Markov跳变系统的事件触发动态输出反馈控制

5．1引言

5．2问题描述

5．3主要结论

5．4数值仿真

5．5本章小结

6．1本文总结

6．2研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢