不同通訊機制下帶飽和約束的NCS魯棒容錯控制.pdf

1、隨著網絡化控制系統(tǒng)(Networked Control System，NCS)在諸多領域的成功應用，學術界對其的研究也已進入一個快速發(fā)展階段。從NCS安全性角度，要面對的：一是網絡介入所附帶的網絡傳輸時延、數據包丟失等影響系統(tǒng)性能乃至穩(wěn)定性的網絡屬性問題；另一是NCS自身分散的結構、較高的復雜度，從而導致的更多不確定性及故障機率問題。對此，學者們將容錯控制技術引入其中，使得具有網絡屬性的 NCS對故障不再敏感，從而提高了系統(tǒng)的安全可靠性

2、。目前，NCS容錯控制研究雖然取得了一定的成果，但幾乎都是基于恒周期采樣與信息傳輸的周期時間觸發(fā)通訊機制(Periodic Time-triggered Communication Scheme，PTTCS)，這種機制下，大量不必要的冗余信息被傳輸和計算，不僅會浪費更多有限的網絡和計算資源，加劇網絡傳輸時延和丟包，而且此機制下NCS魯棒容錯控制器的設計也只能依賴于現(xiàn)有的網絡服務質量，其結果也會更加保守；此外，既使在PTTCS成果中，研究

3、對象仍以線性為多，對實際故障發(fā)生后更易出現(xiàn)的執(zhí)行器飽和問題也少有考慮。
　　基于此，本文以同時考慮執(zhí)行器飽和約束、執(zhí)行器失效故障、網絡屬性以及內外不確定性等因素的線性/基于 T-S模糊模型的非線性 NCS為被控對象，分別基于 PTTCS和系統(tǒng)采樣信息按需傳輸的新的離散事件觸發(fā)通訊機制(Discrete Event-triggered Communication Scheme，DETCS)，采用狀態(tài)反饋控制策略，研究了PTTCS、D

4、ETCS下執(zhí)行器飽和不確定閉環(huán)故障NCS的魯棒容錯控制問題。具體來說，論文的主要內容及貢獻可概括如下：
　　1)考慮執(zhí)行器飽和約束，研究了 PTTCS下 NCS的魯棒容錯設計問題
　　針對實際工程中無法規(guī)避的執(zhí)行器飽和約束，首先在PTTCS下，分別建立了具有執(zhí)行器飽和約束的不確定線性/基于 T-S模糊模型的非線性閉環(huán)故障 NCS模型；然后，基于所建模型和Lyapunov穩(wěn)定性理論，結合相關少保守性技術，推證出了使PTTCS下

5、執(zhí)行器飽和不確定NCS具有魯棒完整性、魯棒H?容錯、魯棒H?保性能容錯的時滯依賴少保守性不變集條件，并采用線性矩陣不等式(Linear Mat-rix Inequality，LMI)技術給出了相應魯棒容錯控制器的優(yōu)化求解方法。由于推證中使用了改進型 Jensen積分不等式，尤其是改進型 Wirtinger積分不等式技術的使用，以及對飽和項的凸組合處理，使得所得結論的保守性和復雜度得以減少。經仿真驗證了故障發(fā)生時，既使執(zhí)行器進入飽和區(qū)，N

6、CS依然具有相應的魯棒容錯性能，說明文中方法為 PTTCS下具有執(zhí)行器飽和約束的 NCS魯棒容錯設計，提供了更為切合實際的理論依據。
　　2)將 DETCS引入 NCS，研究了 DETCS下具有執(zhí)行器飽和約束的 NCS魯棒容錯與網絡通訊的協(xié)同設計問題
　　首先，通過引入合理的離散事件觸發(fā)通訊約束條件，分別建立了 DETCS下具有執(zhí)行器飽和約束的不確定線性/基于 T-S模糊模型的非線性閉環(huán)故障 NCS模型，為NCS容錯控制與通

7、訊建立了內在的聯(lián)系；然后，基于所建模型和Lyapunov穩(wěn)定性理論，采用相關少保守性技術，推證出了使 DETCS下執(zhí)行器飽和不確定NCS具有魯棒完整性、魯棒H?容錯、魯棒H?保性能容錯的時滯、事件觸發(fā)共同依賴的少保守性不變集條件，進而以求解 LMI的方式給出了相應魯棒容錯控制器與離散事件觸發(fā)權矩陣的優(yōu)化協(xié)同設計方法?？紤]基于 T-S模糊模型的非線性NCS中，全局模糊容錯控制器構建、飽和約束等會加大結論的保守性，以及多模糊規(guī)則會增大求解時

8、的計算量等問題，在證明中引入了時延適當分段技術，并與改進型Jensen積分不等式、互反凸組合引理結合，獲得了少保守性、低計算復雜度的控制器求解方法。經仿真驗證結果表明，較 PTTCS，DETCS中觸發(fā)通訊約束條件的引入，實現(xiàn)了系統(tǒng)采樣數據按控制需求自適應變周期傳輸的期望，而基于DETCS的方法實現(xiàn)了NCS容錯控制與網絡通訊的協(xié)同設計目標。
　　3)深入分析了 DETCS下 NCS魯棒容錯與網絡通訊協(xié)同設計中，觸發(fā)參數與控制性能及網

9、絡通訊資源占用之間的關系，給出了二者可遵循的平衡折中原則
　　在2)中所研究問題的基礎上，進一步選取不同離散事件觸發(fā)參數值，通過大量仿真實驗，深入分析了隨著觸發(fā)參數的變化，閉環(huán)故障 NCS的容錯性能與網絡通訊資源占用之間的關系，進而得出了：離散事件觸發(fā)條件中較大數值觸發(fā)參數的選取可節(jié)約更多的網絡資源，但卻是以犧牲系統(tǒng)性能為代價，反之亦然，也即通訊資源節(jié)約與控制性能隨觸發(fā)參數的變化，二者的優(yōu)劣變化趨勢是相悖的。因此，在實際應用中，應

10、根據控制需求和通訊條件，適度的選取觸發(fā)參數數值，才能有效兼顧NCS控制性能(Quality ofControl Performance，QoCP)和網絡服務質量(Quality of Service，QoS)，進行系統(tǒng)魯棒容錯性能與網絡通訊資源合理利用的協(xié)同設計，實現(xiàn)二者的折中平衡。
　　4)搭建了具有執(zhí)行器飽和約束的 PTTCS、DETCS虛擬 NCS實驗平臺，對文中所得理論結果進行了工程可用性實驗研究
　　為驗證所得理論

11、結果在真實網絡背景下的有效性，文中選取校園局域網為通訊媒介，采用OPC標準化通訊協(xié)議，以西門子S7-300 PLC作為服務器，2臺PC機分別作為客戶端，模擬被控對象和控制器。首先借助西門子Step7編程軟件、Simatic Net通訊軟件以及Matlab/OPC Toolbox，并在控制器后端引入飽和限幅模塊，搭建了真實網絡環(huán)境下基于PTTCS的執(zhí)行器飽和虛擬NCS實驗平臺；然后，將離散事件觸發(fā)模塊置于被控對象后端，并巧妙的利用“0”數