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随着大规模、高性能的现代控制系统的出现,对系统安全性和可靠性的要求也越来越高。故障诊断技术是提高提高系统安全性和可靠性的一种重要途径,因而深入研究故障诊断技术不但具有重要的理论意义,而且也具有巨大的实际应用价值。
网络化控制系统(NCSs)是一类基于通信网络的闭环系统。随着通信网络嵌入控制系统,使得系统的连接线大大减少,增强了系统的灵活性,系统便于维护和诊断;与此同时也带了一些新的问题,如网络传输时滞、数据丢包以及多包传送等。这些问题的出现使得网络化控制系统的分析和综合变得更加复杂和困难,同时这些问题的存在也往往是系统不稳定和系统性能变差的根源。因此,传统控制系统的故障诊断方法也无法直接应用于网络化控制系统。正是在这一背景下,本文系统地研究了网络化控制系统的故障诊断方法,主要内容和研究成果如下:
研究了含有短时滞(传输时滞小于一个采样周期)的网络化控制系统鲁棒故障检测问题。分别采用了基于时滞补偿控制器和基于时滞补偿控制律的方法设计了故障检测滤波器。通过引入参考残差模型,将滤波器设计问题转化为模型匹配问题:利用H∞控制理论,以线性矩阵不等式(LMI)的形式给出了问题解存在的条件以及滤波器的设计方法。
研究了含有长时滞(传输时滞大于一个采样周期)的网络化控制系统鲁棒故障检测问题。通过分析NCSs具有的混杂系统特点,设计了一种基于观测器的混杂系统故障检测滤波器;借助对系统传递函数的输入输出通道的组合变换,将一个同时体现残差对扰动的鲁棒性以及对故障的灵敏性的性能指标扩展至NCSs;引入时滞上下界,以矩阵不等式的形式给出滤波器设计问题的时滞区间依赖解,实现了在连续时间域内对网络化控制系统的鲁棒故障检测,避免了系统离散化及其带来的复杂性。
研究了同时考虑网络传输时滞和数据丢包的网络化控制系统的鲁棒故障检测问题。利用时滞系统研究成果,将网络化控制系统建模为一类具有双加性状态时滞项的连续时滞系统,设计了一种基于时滞、丢包依赖的鲁棒故障检测滤波器;选取一个合适的Lyapunov-Krasovskii泛函,在分析时滞系统H∞性能的基础上,给出了NCSs滤波器的存在条件和求解方法。
针对上述三部分中假设控制器给定的局限性,研究了控制器和故障诊断器的集成设计问题。首先根据系统的状态方程,建立基于观测器的反馈控制器,并根据系统状态方程和控制器方程建立闭环控制系统的混杂系统模型;结合闭环系统的特点,给出了状态观测器和反馈控制器的集成设计方法。在此基础上,应用H∞控制理论进行控制器和故障诊断滤波器的集成设计,使系统渐近稳定,同时也能满足一定的故障诊断鲁棒性能指标,并以LMI的形式给出控制器/诊断器的存在条件和求解方法。