网络环境下随机系统故障检测方法研究

发布时间：2020-04-13 11:37

【摘要】：实际生产应用中的被控系统或过程经常受到随机扰动现象的影响,随机现象的存在既增加了被控系统的复杂程度又给后续的系统分析和综合设计等带来了巨大的挑战。另一方面,计算机技术和网络通信技术的迅速发展使得网络控制系统在实际工业系统中的应用越来越广泛。网络控制系统主要是利用一个共享的通信网络将系统中的被控对象、传感器、控制器和执行器等组件连接起来,它具有成本低、稳定性高和便于安装和维护等优点。然而,实际网络系统中的通信资源往往是有限的,给系统的分析和设计带了很多难题,如数据传输时延和数据包丢失等问题。因此,开展网络环境下随机系统的故障检测方法研究具有非常重要的意义。本文以几种不同的网络随机系统为研究对象,分别研究了网络诱导时延、数据包丢失和通信约束情况下随机系统的故障检测问题。主要研究内容分述如下:针对一类网络通信资源受限情况下线性随机系统的故障检测滤波器设计问题。利用事件触发机制来减少通信网络之间的数据传输,以便节省有限的网络通信资源。为了检测故障,设计了基于事件触发机制的故障检测滤波器构建动态故障检测模型。对于连续时间网络随机系统,利用H∞优化性能方法通过极小化故障检测模型对外界干扰和故障的影响来实现故障检测。对于离散时间网络随机系统,利用H-/H∞优化性能方法来同时增强故障检测系统对外界扰动的鲁棒性和对故障的敏感性。在同时考虑了随机模型和基于事件触发机制的数据传输方案,根据随机理论和Lyapunov稳定性理论给出故障检测模型稳定的充分条件,并利用线性矩阵不等式方法求出所设计的基于事件触发机制的故障检测滤波器参数矩阵。针对一类存在网络随机丢包和通信资源受限情况下不确定网络随机系统的故障检测滤波器设计问题。利用事件触发机机制来节省有限的网络通信资源;利用满足Bernoulli分布的白噪声序列来描述发生在网络通道上的随机丢包现象;利用范数有界不确定性来描述随机系统模型的参数不确定性。综合以上考虑,设计基于事件触发机制的故障检测滤波器构建故障检测模型。并根据随机理论、Lyapunov稳定性理论和鲁棒控制理论给出故障检测系统满足均方鲁棒指数稳定性以及期望的故障检测目标的充分条件,进而得到基于事件触发机制的故障检测滤波器参数矩阵。针对一类通信资源受限情况下不确定离散时间网络随机系统的同时故障检测与控制器设计问题。设计一个包含滤波器和输出反馈控制器的集成模块构造故障检测和控制模型,并保证该模型满足随机稳定性以及期望的控制目标和故障检测目标。利用两个相互独立的事件触发器来分别减少传感器到滤波器/控制器模块和滤波器/控制器模块到原系统网络通道上的数据传输。在同时考虑了不确定随机模型和基于事件触发机制的数据传输方案,利用一个优化的算法来得到所设计的故障检测滤波器、控制器以及两个事件触发器的参数。针对两类同时存在网络随机丢包、数据传输延迟和通信资源受限情况下非线性网络随机系统的故障检测滤波器设计问题。利用满足Bernoulli分布的白噪声序列来描述发生在网络通道上的随机丢包现象;针对传统的阈值固定的事件触发机制无法充分节省有限网络资源的问题,提出了一种自适应事件触发机制,该机制利用一个自适应律来动态改变事件触发阈值。第一类是存在随机出现非线性项的网络随机系统,利用一个二次约束条件来描述非线性项的特性;利用满足Bernoulli分布的白噪声序列来描述非线性项出现的概率。第二类是更一般的非线性网络随机系统,利用Takagi-Sugeno(T-S)模糊建模方法将该非线性系统建模为模糊随机系统。为了检测故障,分别设计了基于自适应事件触发机制的故障检测滤波器构建故障检测模型,然后分别对两类故障检测模型进行性能分析和滤波器参数设计,给出故障检测系统满足均方渐近稳定性以及期望故障检测目标的充分条件,进而得到所设计的基于自适应事件触发机制的滤波器参数矩阵。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP273;TH17

【参考文献】