DETCS下NCS主被动区间混合鲁棒容错控制研究

发布时间：2020-11-16 13:19

　　 网络化控制系统(NCS)容错控制已是智能制造领域一个重要的研究课题,由于集成控制力高、适应性强、便于维护管理的特点推动了其在工程领域中的快速发展,但受制于系统和网络的复杂性,构件设备故障、通讯制约、时滞及内部参数的不确定等因素仍是该领域重点关注的问题。鉴于此,本课题在离散事件触发通讯机制(DETCS)约束下,依据主被动混合思想,以区间控制的容错方式,研究了任意执行器故障下系统对控制任务及通讯服务质量的协同设计问题。主要内容如下:1)根据先验知识,利用划分算法对故障数据进行归纳划分以创建具有代表性的常见故障知识库,与此同时建立具备等价关系的执行器故障被动、主动数学表达式,在DETCS下集中设计了参数不确定、随机时滞、干扰以及切换抖动等因素影响下的闭环故障NCS模型,并在控制策略和FDO(fault detection observer)的基础上对常见故障模型匹配,完成调度任务。2)采用“离线设计,在线调度”的控制方式设计了主被动区间混合鲁棒少保守性容错控制器,在FDO的作用下快速检测故障,使得常见故障发生时,快速调用相应的区间容错控制器的同时减少结果的保守性;在常见故障划分范围内出现其他故障时,利用补偿算法完成对其控制器的重构设计。3)考虑在实际系统中受网络制约和事件触发条件的影响,研究了多变性时延作用下的容错控制,在执行器故障和外界扰动共同干预下分别构建具有概率分布的故障观测器和区间容错控制律,并利用鲁棒控制、H2控制,设计随机时延NCS主被动区间混合鲁棒广义H2/H∞少保守性的容错控制器,以确保系统在均方指数稳定的基础上具有一定的动态特性。4)借鉴平滑切换思想,在对系统调度策略作用下导致的不同控制器间切换瞬态响应做了平滑研究,并设计具有非脆弱特性的容错控制器,一旦发生执行器故障,则区间容错控制器进行相应的平滑处理,一方面可提高切换进程,另一方面可柔化控制器之间的瞬态切换过程促使系统输出响应趋于平滑;与此同时借助DETCS通讯方式及满意性能指标约束,使NCS的容错控制方法不仅可以节约网络资源还能保证各控制器在切换点处具有H2/H∞性能。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP273
【部分图文】：

?裳?笨蘫ih的集合为{|}kkihiN，其传输时刻kth的集合为{|}kkthtN，根据信号传输原理则有{|}{|}kkkkthtNihiN；假设2：系统在整个控制回路中状态可测且执行器和控制器的正常运转将依靠事件触发器的驱动方式；假设3：零阶保持器的目的是未接收到新数据前将连续输出当下数据以供执行器运行需求，其连续输出时间11,kkktktttt，且子区域满足0......kkldkkk，受时延影响，其(1),(1)kkkkklkkkllhkkllhtlhtlh，0,1,2,...,kkld，且kk1kdhththh，kktlh表示传输时刻kktlh的网络时延。图2.1DETCS下NCS结构图图2.1为DETCS下的NCS工作原理图。由图知，事件发生器位于采样器和网络之间，在传感器作用下，使之构成智能传感模块以便对数据的获娶“甄别”及传送起到推动作用。如若此刻系统的最新采样数据为()kxih，事件触发器则同步更新数据得()kxth，为提高网络媒介中数据的传输率，减缓网络中因等效数据的大批量传输而造成的拥堵现象。因此根据本课题的控制需求创建事件触发条件如式(2.1)：1min{|()()()()}TTkkxkxkkkththlheiheihxihxih(2.1)其中：是正定对称矩阵，[0,1)是触发参数，且状态误差为()()()xkkkeihxihxth(2.2)也即下一采样发生时，触发器会自动判别当前数据是否满足上述创立条件以“甄别”有效数据，完成信息的传播，进而达到节约网络控制的目的。

硕士学位论文13故障进行归类，并在调度机制的作用下完成调度任务，若该故障不是区间常见故障时，则补偿机制会被启动以完成对区间混合容错控制的设计。图2.2事件触发机制下NCS区间混合容错控制系统结构图数据经过采样这一环节，系统此刻传输的信号为离散的，因此时延函数可表述为：()ktti，在网络媒介中，诱导时延存在上下界之分，则有120d(t)d，此时可根据()(())()()kkxkxthxttxiheih，进而引入事件判别条件于区间混合容错控制器的设计中，实现控制任务与网络通讯的协同设计。2.3.1不确定闭环故障NCS模型的数学描述考虑执行器加性故障，则NCS数学模型描述如下：11()()()()()()()()xtAAxtBButEftytCxt(2.3)其中()nxtR和()mutR是系统状态和控制输入；()pytR是系统输出；A，B，11C和E为具有适当维数的常数矩阵；不确定项A，B满足12ABMF(t)NN且M、1N、2N为常数矩阵，()()TFtFtI；f(t)为加性故障且0|f(t)||f，假设系统有m个执行器，则12()...mftfff，q1,2,...,m(2.4)当0qf，代表第q个执行器正常；当0qf，代表第q个执行器故障。为便于设计后续区间混合鲁棒容错控制器，让故障分布矩阵E(BB)，并定义执行器故障为f(t)Lu(t)，LIL(2.5)其中12{,,...,}mLdiaglll是故障程度矩阵且[0,1],1,2,...,qlqm。当1ql时，则第q个执行器正常；当0ql，则q个执行器完全失效；当(1,0)ql，则第q个执行器部分故障。根据等式(2.3)-(2.5)，定义Lu(t)u(t)f(t)，则故障模型(2.3)可写为如下形式11()()()()()()()xtAAxtBBLutytCxt(2.6)因此，我们可得到等式(2.3)、(2.6)等价，这为系统在网络时延、模型不确定及执

硕士学位论文1501020121112()()()()()(())(1)()()(())()()()((())(()))()()()()()()()()xkxtAAxtBBLKKxttBBLKKxttBBLKKxttxttBBLKKeihDwtytCxtztCxt(2.10)2.4调度机制与切换策略设计在控制系统运行过程中，由于外部环境、随机扰动、工况变换等因素的影响，故障出现的形式往往不是单一的，而可能是多种故障共存于系统中。自然，在这种情况下进行容错控制器设计时，势必会针对不同类型故障设计不同的控制器，也即当故障发生时，系统则采取对应的控制器进行容错控制，进而保证系统安全可靠运行。在现有研究中，有学者在该研究背景下提出调度策略这一概念[71]，但并未给出具体的调度算法，自然系统是否能够快速进行容错控制则有待商榷。因此在故障发生情况下，如何通过合理的算法调用相应控制器以保证整个控制流程顺利进行，则是控制系统能够快速有效容错的根本保障，为此本章将依据故障区间划分法，将所有可能的执行器故障L按照规则并将其大小划分为10.8，0.80.5，0.50.2以及0.20四个区间，在离线设计区间重组容错控制器集的同时通过采用计算快速、便捷的做差对比法将系统当下故障与区间常见故障进行比较，进而调配相应的区间容错控制器，为系统安全、可靠运行提供了保障。如下为具体的调度算法的建立：图2.3调度机制原理图
【参考文献】

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本文编号：2886274