（控制理论与控制工程专业论文）基于状态多时延模型的ncs时滞依赖鲁棒容错控制研究.pdf

r e s e a r c ho nd e l a y d e p e n d e n tr o b u s tf a u l t t o l e r a n tc o n t r o lf o r n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h em o d e lw i t hm u l t i p l es u c c e s s i v e d e l a y s i nt h es t a t e b e ( z h o n g y u a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 6 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl iw e i m a y , 2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：砂辛锄飞 日期：如1 1 年月e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：如f f 年多月2e l e l 觏：劲“年6 具 e l v 劫叶 影上孛 硕士学位论文 目录 目录：i 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的背景及意义l 1 2 网络化控制系统综述。2 1 2 1 网络化控制系统的基本结构2 1 2 2 网络化控制系统的基本问题3 1 2 3 网络化控制系统研究现状4 1 3 容错控制研究综述一6 1 4 容错控制的一般方法：6 1 5 网络化控制系统的容错控制综述8 1 6 本文主要研究内容及章节安排9 第2 章n c s 的时延分析、建模与准备知识1 1 2 1 引言1 1 2 2 状态多时延模型简介1 l 2 3n c s 的时延与丢包问题的分析1 l 2 3 1n c s 设计的假设条件1 1 2 3 2 基于状态反馈的时延、丢包问题的分析1 2 2 3 3 基于动态输出反馈的时延、丢包问题的分析。1 3 2 4 闭环n c s 故障系统建模j 14 2 4 1 故障模型1 4 2 4 2 基于状态反馈的故障n c s 建模1 6 2 4 3 基于动态输出反馈的故障n c s 建模。1 6 2 5 l y a p u n o v 稳定性理论l7 2 6l m i 相关理论与相关引理1 7 2 6 1l m i 表示方法1 7 2 6 2 矩阵的s c h u r 补性质1 8 2 6 3 其它相关引理1 9 第3 章基于状态反馈的不确定n c s 鲁棒容错控制2 0 3 1 引言2 0 l 基于状态多时延模型的n c s 时滞依赖鲁棒容错控制研究 3 2 基于状态多时延模型的n c s 鲁棒完整性设计2 0 3 2 1 执行器失效故障情形2 0 3 2 2 传感器失效故障情形2 4 3 2 3 仿真实例2 5 3 3 基于状态多时延模型的n c s 鲁棒也容错控制2 6 3 3 1 执行器失效故障情形2 7 3 3 2 传感器失效故障情形3 2 3 3 3 仿真实例3 4 3 4 基于状态多时延模型的n c s 鲁棒保性能容错控制3 6 3 4 1 执行器失效故障情形：一3 6 3 4 2 传感器失效故障情形4 1 3 4 3 仿真实例一4 3 3 5 基于状态多时延模型的n c s 鲁棒风保性能容错控制4 4 3 5 1 执行器失效故障情形4 4 3 5 2 传感器失效故障情形5 2 3 5 3 仿真实例5 3 3 6 本章小结5 5 第4 章基于动态输出反馈的不确定n c s 鲁棒容错控制5 6 4 1 引言5 6 4 2 基于动态输出反馈的不确定n c s 鲁棒完整性设计5 6 4 2 1 执行器失效故障情形5 6 4 2 2 传感器失效故障情形6 2 4 2 3 仿真实例6 4 4 3 基于动态输出反馈的不确定n c s 鲁棒也完整性设计6 5 4 3 1 执行器失效故障情形j 6 5 4 3 2 传感器失效故障情形6 9 4 3 3 仿真实例一7 1 4 4 本章小结一7 3 结论与展望7 5 参考文献7 7 致1 谢8 3 附录a 攻读硕士学位期间所发表的学术论文8 4 硕十学位论文 鼍寡蔓鼍舅璺毫皇蔓皇皇曼皇寰舅| i ；i,i i 一i i 鼍 摘要 网络化控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，n c s ) 是以网络为传输介质实现 信息共享与传输的反馈控制系统。在工程实践中，n c s 由于更加分散、复杂、庞 大，一旦发生故障，带来的危害也将难以估量和弥补，因此对其通过容错设计， 提高安全性、可靠性是一个具有理论和现实意义的研究课题。 近年来n c s 的容错控制已取得了一些初步的成果。归结起来，在性能上，多 以鲁棒完整性和鲁棒玩完整性问题为主，而实际中不仅希望在故障发生时闭环系 统稳定，还希望具有一定的性能；在模型使用上，采用单一状态时延模型，且时 延下界以0 处理，因而所得结果具有较大的保守性；在控制策略上，均采用状态反 馈，其在工程应用中有较大局限性。基于此，本文从减少结果的保守性出发，分 别采用状态反馈控制策略和动态输出反馈策略，基于考虑时延下界的状态多时延 模型，同时考虑网络诱导时延和丢包的影响，对具有参数不确定性的n c s 进行了 较为系统的鲁棒容错控制研究。具体内容包括： 基于状态反馈控制策略，运用l y a p u n o v 稳定性理论和l m i 方法，分别针对不 考虑或考虑有限能量外部扰动的影响，研究了具有时变时延和丢包的不确定n c s 的鲁棒完整性、鲁棒保性能或鲁棒也完整性、鲁棒鼠保性能等问题。通过构造 适当的l y a p u n o v k r a s o v s k i i 泛函，分别推证出了确保闭环n c s 在执行器或传感器 发生失效故障时，具有鲁棒完整性、鲁棒保性能或鲁棒吃完整性、鲁棒以保性 能的少保守性时滞依赖充分条件，并通过相应的变换以求解l m i s 的方法给出了相 应控制器的优化设计方法。 基于动态输出反馈控制策略，运用l y a p u n o v 稳定性理论、l m i 方法和矩阵 分离技术，分别针对不考虑或考虑有限能量外部扰动的影响，研究了具有时变时 延和丢包的不确定n c s 的鲁棒完整性及鲁棒刀二完整性问题。在对时延进行分段 处理和未对系统模型进行增广处理的情形下，通过构造适当的 l y a p u n o v k r a s o v s k i i 泛函，分别推证出了当执行器或传感器发生失效故障时，具 有鲁棒完整性及鲁棒风完整性的时滞依赖充分条件，并利用矩阵的分离引理，有 效地将非线性项进行分离，以求解l m i s 的形式分别给出了鲁棒及鲁棒巩容错控 制器的设计方法。 在以上理论研究的基础上，采用相应算例对所有结果进行了正确性和有效性 的仿真研究。由于模型中考虑了时延下界，且证明过程未进行模型转化和交叉项 放大处理，另外，适当自由权矩阵变量的引入和时延的分段处理，均使得其结果 具有较少保守性，从而提高了容错的可行性和满意度。 关键词：网络化控制系统；时变时延；丢包；线性矩阵不等式；状态反馈；动态 f a u l t t o l e r a n tc o n t r 0 1 t h e r e f o r e 。t h er e s e a r c ho nf a u l t t o l e r a n tc e n t r e lo fn e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e mh a st h e o r e t i c a la n da p p l i e ds i g n i f i c a n c e i nr e c e n ty e a r s t h er e s e a r c ho nf a u l t t o l e r a n tc o n t r o lo fn e t w o r k e dc o n t r 0 1 s y s t e m sh a sm a d es o m ep r e l i m i n a r yr e s u l t s i ng e n a r a l ，o np e r f o r m a n c e ，s c h o l a r s m o s t l ys t u d yt h er o b u s ti n t e g r i t y a n dr o b u s t 风i n t e g r i t yp r o b l e mo fn c s ，b u ti n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，p e o p l en o to n l yh o p et os t a b i l i z et h ec l o s e dl o o ps y s t e mw h e n f a i l u r eo c c u r s ，b u ta l s ow a n tt oh a v ec e r t a i np r o p e r t i e s ；o nm o d e l i n g ，s c h o l a r sm o s t l y u s et h es i n g l ed e l a ym o d e l ，a n dt h el o w e rb o u n do ft i m e d e l a yi sr e s t r i c t e dt ob e0 ， t h a tm a k e st h er e s u l th a sal a r g ec o n s e r v a t i v e ；o nt h el a wo fc o n t r o l ，s c h o l a r sa 1 1u s e s t a t ef e e d b a c kc o n t r o ll a w b a s e do nt h i s ，f o rr e d u c i n gc o n s e r v a t i v e ，t h i sp a p e ru s e s s t a t ef e e d b a c kc o n t r o ll a wa n dd y n a m i co u t p u tf e e d b a c kr e s p e c t i v e l y ，b a s e do nt h e m o d e lw i t hm u l t i p l es u c c e s s i v ed e l a y si nt h es t a t e ，a n df o c u so nt h et i m ed e l a ya n d t h ed a t ap a c k e td r o p o u to fn c s ，t h er o b u s tf a u l t t o l e r a n t c o n t r o lo fu n c e r t a i n n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s ) i ss t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y ，u s i n gs t a t ef e e d b a c kc o n t r o ll a w ，b a s e do nt h el y a p u n o vs t a b i l i t yt h e o r y a n dt h et e c h n i q u eo fl i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t i e s ( l m i s ) ，c o n s i d e r i n gw i t ha n dw i t h o u t l i m i t e do u t s i d ed i s t u r b a n c e sr e s p e c t i v e l y ，t h er o b u s ti n t e g r i t y ，r o b u s t 玩i n t e g r i t y ， r o b u s tg u a r a n t e e dc o s tc o n t r o la n dr o b u s t h 。g u a r a n t e e dc o s tc o n t r o lo fn c sw i t h t i m e v a r y i n gd e l a ya n dp a c k e td r o p o u td e l a ya r es t u d i e d as t a b i l i t yd e l a y d e p a n d e n t c r i t e r i o nf o rt h ec l o s e d - l o o ps y s t e mw i t hr o b u s ti n t e g r i t y ，r o b u s t 月二i n t e g r i t y ， r o b u s tg u a r a n t e e dc o s ti n t e g r i t ya n dr o b u s th 。g u a r a n t e e dc o s ti n t e g r i t ya g a i n s t a c t u a t o ro rs e n s o rf a i l u r e sa r eg i v e nt h r o u g ht h es t r u c t u r eo ft h ea p p r o p r i a t el y a p u n o v k r a s o v s k i i ，m o r e o v e r ，am e t h o do ft h er o b u s tf a u l t t o l e r a n tc o n t r o l l e rd e s i g ni s g i v e n ，a n dt h ed e s i g np r o b l e m so ft h eo p t i m a lf a u l t - t o l e r a n t 日二，r o b u s tg u a r a n t e e d c o s ta n dr o b u s t 风g u a r a n t e e dc o s tf a u l t t o l e r a n tc o n t r o l l e r sa r eg i v e nv i al m i s c o n s t r a i n t sr e s p e c t i v e l y s e c o n d l y ，u s i n gd y n a m i co u t p u t w i t h o u to u t s i d el i m i t e dd i s t u r b a n c e s f e e d b a c kc o n t r o ll a w ，c o n s i d e r i n gw i t ha n d r e s p e c t i v e l y ，t h er o b u s ti n t e g r i t ya n dr o b u s t i 基于状态多时延模型的n c s 时滞依赖鲁棒容错控制研究 皇置皇舅皇皇曼鼍量曼毫量葛鼍l i ll 一m ! h 。i n t e g r i t yo fn c sw i t ht i m e v a r y i n gd e l a ya n dp a c k e td r o p o u td e l a ya r es t u d i e d w i t h o u tu s i n gt h ea u g m e n t e ds t a t e - s p a c em e t h o dt or e b u i l ds y s t e mm o d e l ，a n db y u s i n gl y a p u n o v k r a s o v s k i if u n c t i o n a l ，t h es u f f i c i e n tc o n d i t i o n sf o rc l o s e d 1 0 0 p n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mw i t hu n c e r t a i n t i m e v a r y i n gd e l a ya n dp a c k e td r o p o u t p o s s e s s i n gr o b u s ti n t e g r i t ya n dr o b u s th 。i n t e g r i t ya g a i n s ta c t u a t o rf a i l u r e sa r eg i v e n b ya d o p t i n gd y n a m i co u t p u tf e e d b a c kc o n t r o ll a w , a n db yu s i n ga ni m p r o v e d s e p a r a t i o nl e m m a ，t h ed e s i g np r o b l e m so ft h er o b u s tf a u l t - t o l e r a n ta n dr o b u s t 也 f a u l t t o l e r a n tc o n t r o l l e r sa r eg i v e nv i al i n e rm a t r i xi n e q u a l i t i e sr e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，b a s e d o nt h ea b o v ec o n c l u s i o n s ，u s i n gs i m u l a t i o ne x a m p l e so fa l l s i m u l a t i o nr e s u l t s t h er e s u l t ss h o wt h a t p a p e rc o n c l u d e dt h a tt h ec o r r e c ta n d e f f e c t i v e t h el e s sc o n s e r v a t i v er e s u l t si so b t a i n e ds i n c et h el o w e rb o u n do ft h e t i m e d e l a ya n da p p r o p r i a t ef r e e w e i g h t i n gm a t r i c e sb e i n gi n t r o d u c e d ，m o r e o v e r w i t h o u tm o d e lt r a n s f i r m a t i o n ，s c a l i n g u po fc r o s st e r m sa n dm e r g i n gd e l a y sd u r i n g t h ep r o o f k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m ；t i m e - v a r y i n gd e l a y ；p a c k e td r o p o u t ；l i n e a r m a t r i xi n e q u a l i t i e s ( l m i s ) ；s t a t ef e e d b a c kc o n t r o l ；d y n a m i co u t p u tf e e d b a c k ；r o b u s t f a u l t t o l e r a n tc o n t r o l ；g u a r a n t e e dc o s t i v 硕上学位论文 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 现代化的工程技术系统正在朝着大规模、复杂化的方向发展，这类系统一旦 发生事故就可能造成整个系统的失效、瘫痪，甚至造成重大的人员伤亡和巨大的 财产损失。因此切实保障现代系统的可靠性和安全性，具有十分重要的意义。故 而旨在提高控制系统可靠性的容错控制理论研究得到了长足的进展。 随着电子技术和计算机技术的不断进步和发展，系统设备成本逐年下降，网 络通信能力飞速提高，网络共享之源不断丰富，越来越多的网络传输方式被应用 到自动化和控制领域中，网络化控制系统应运而生。然而，n c s 在通过共享网络 资源给控制系统带来各种便利的同时，也给系统和控制理论带来了新的挑战。由 于受网络通讯带宽限制又产生了丢包、阻塞、延迟等问题。加之，在实际系统中， 由于建模的误差、工况与环境的变化以及各种未知输入的影响，又使受控对象存 在不确定性，因此不确定n c s 更加接近实际系统。 较传统系统而言，n c s 的规模和结构更加庞大，而且精细化手段和系统投资 也更高，因此人们更加迫切需要提高系统的可靠性、可维修性和安全性。然而对 n c s ，除传统系统中存在的不确定，不安全因素外，由网络引入的时延、丢包等 多种不确定性属性和新的故障因素，使n c s 得容错设计变得更加复杂。因此不确 定n c s 的鲁棒容错控制研究越来越受到了关注【l 一。时延和丢包是n c s 存在的基本 问题，对它的研究最终归结对某时延系统的研究。然而现存的n c s 容错控制成果 要么大多为时滞不依赖的方法，其结果均有较大保守性，少部分利用时滞依赖的 方法也均是基于一般的区间时延模型即未考虑时延下界。而实际工程中n c s 的数 据传输总会产生时延，因此这种时延下界以0 处理的方式会给结果带来保守性【5 】； 另外一般研究中常采用状态单时延模型，较新近提出的状态多时延模型对结果也 具有更多保守性【6 】；要么大多研究了系统的鲁棒完整性问题，而在实际的n c s 中， 不仅要求n c s 稳定运行，而且还要求n c s 满足一定的性能指标。由于被动容错 源于鲁棒控制，其本身也具有较大的保守性。尽管近年来n c s 的容错控制已取 得了一些初步的成果。但多数采用状态反馈控制策略，对保守性的减少还很少涉 及。然而在实际n c s 中，受系统结构、环境及经济等因素制约，通常难于测取到 系统的全部状态信息，因此使状态反馈控制器的实际应用受限。目前已有部分文 献采用静态输出反馈策略，研究n c s 的容错控制问题。但静态输出反馈策略不仅 存在极点配置上的局限，且性能次于动态输出反馈，因而，基于以上分析，本文 分别基于状态反馈控制和动态输出反馈控制策略，从减少结果的保守性出发，研 究n c s 的容错控制问题，无疑对提高n c s 容错的可行性和满意度具有重要的理论 和应用价值。 本文的研究工作得到了国家自然科学基金项目( 6 0 9 6 4 0 0 3 ) ；甘肃省自然科学 摹于状态多时延模型的n c s 时滞依赖鲁棒容错控制研究 基金项目( 0 9 6 r j z a l 0 1 ) 等项目的支持。 1 2 网络化控制系统综述 n c s 作为一门崭新的学科，是网络通信技术和自动化控制技术两个学术领域 的交叉融合，具有其特殊性和复杂性。n c s 的复杂性是由网络自身的特点所决定 的。主要在于： ( 1 ) 网络环境下，系统中的信息是通过网络进行传输，而网络带宽是有限的， 因此数据包在传输过程中不可避免的出现碰撞、排队等待和重传等现象，这必然 会导致网络诱导时延；同时采用不同的网络协议会使时延具有不同的性质，网络 时延可能是固定的、有界时变的或随机的； ( 2 ) 传输数据流量经众多计算机和通讯设备且路径不唯一，数据通常有不同的 路由选择，这会导致网络数据包的时序错乱； ( 3 ) 通信网络是一个不可靠的数据传输通道，不可避免地存在网络阻塞和连接 中断等现象，这会导致数据包的丢失。 n c s 中的网络诱导时延、数据包的时序错乱以及数据包的丢失等问题会在不 同程度上降低系统的控制性能，甚至造成系统不稳定。但n c s 具有易于安装和维 修，能有效提高系统的可靠性，减少系统重量、体积、能耗和布线等优点，随着 控制系统规模的不断扩大，使得网络化控制系统的应用越来越广泛。然而网络控 制系统作为一种新的控制系统体系结构。其相应的理论还相当不成熟，但却将被 大量的投入工程实际应用。因此，对n c s 的建模、分析、控制与优化等问题的研 究具有一定的理论和应用价值。目前国内外对n c s 的研究已经取得了大量成果 3 - 1 6 1o 1 2 1 网络化控制系统的基本结构 对于n c s ，可以抽象表示成图1 1 的结构形式。 图1 1 典型n c s 的结构图 在图1 1 中，箭头方向表示信号流动方向。控制器通过网络实现对被控对象的 2 n c s 与传统的点对点直接控制系统相比，系统结构的主要特征是传感器、控 制器和执行器不是点对点的直接相连，而是通过公共网络交换数据和控制信息， 因而使得系统具有许多截然不同的特性，这些特性决定了n c s 的控制理论和控制 方法的研究，必须针对其特有的问题，采用有效的分析方法，制定可行的解决方 案，设计正确的控制算法。 由于n c s 中通信网络的存在，使得n c s 的运行机制、分析与设计比传统的点 对点直接控制系统更加复杂。n c s 中涉及的基本问题简述如下。 1 2 2 网络化控制系统的基本问题 网络的引入使得系统的分析变得复杂。网络的特点决定了网络控制系统的分 析必须考虑节点驱动及时间同步方式、网络时延、数据包丢失、单包与多包传输 以及网络调度等基本问题。 1 ) 节点的驱动及时间同步 目前的控制网络节点有两种驱动方式：时间驱动和事件驱动。时间驱动意味 着网络节点在预定的时间启动工作。而事件驱动则意味着网络节点在特定的事件 发生时启动工作。由于时间驱动和事件驱动各有优点，在设计n c s 时，传感器、 控制器和执行器要选择合适的驱动方式。驱动方式选择不当，系统的性能也将产 生极大的影响。一般而言，n c s 中的传感器采用时间驱动的工作方式，而控制器一 和执行器可以是事件驱动，也可以是时间驱动。 2 ) 网络诱导时延 在n c s 中，多个网络节点共享网络信道。由于网络带宽有限且网络中的数据 流变化不规则，当多个节点通过网络交换数据时，常常出现数据碰撞、多路径传 输、连接中断、网络拥塞等现象，因而不可避免地出现信息交换时间延迟，这种 有网络引起的信息交换时间延迟称为网络诱导时延( n e t w o r k i n d u c e dd e l a y ) 。网络 诱导时延是随机的、恒定的、有界的、还是不确定的，取决于通信网络的类型和 采用的通信协议。 由于网络诱导时延的复杂性及它对n c s 的稳定性有很大的影响，所以研究 n c s 时，网络诱导时延是不容忽视的一个重要问题。 3 ) 数据包的多包传送和丢包问题 在n c s 中，数据是封装成一定大小的数据包进行传输的。单包传输是指n c s 中传感器或控制器等待传输的单位信息被封装成一个数据包进行传输。多包传输 则是指n c s 中传感器或控制器等待传输的单位信息被封装成多个数据包进行传 输，因而无法同时到达控制器或执行器。在n c s 中，传感器和执行器经常分布在 较大的物理区域，不可能把数据放入一个包中。常规的采样控制系统中关于被控 对象的输出和控制输入同时被传送的假设，对多包传输的n c s 而言，不再成立。 在n c s 中，当节点故障或信息冲突时会发生丢包现象。 3 基于状态多时延模型的n c s 时滞依赖鲁棒容错控制研究 4 ) 网络信息调度 在n c s 中，调度是指系统节点在共享网络中发送数据出现碰撞时，规定节点 的优先发送次序、发送时刻和时间间隔。这里所说的网络调度发生在网络用户层， 或者传输层的上层，其目的是在有限带宽下合理调度n c s 的各种业务数据、充分 配置网络带宽、有效控制网络负荷以限制网络时延的范围和减少丢包、抖动的发 生，从而确保n c s 预期的控制性能。网络调度策略的优劣会对闭环控制系统的性 能产生影响。 1 2 3 网络化控制系统研究现状 n c s 的研究，起于上个世纪八十年代。r a ya 等人在研究的集成通信控制系统 ( i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m s ，简写为i c c s ) 的过程中提出了n c s 的初步概念【l 们，随后控制界掀起了n c s 的研究高潮。 近年来，控制领域对n c s 的建模、分析与综合已经取得了大量的研究成果。 g r e g o r yc 【1 1 】针对网络化控制系统提出一种新的网络协议且首次提出针对这种新 协议和静态调度算法的关于系统全局指数稳定的充分条件的论证。z h a n gw e i d 2 针对传感器为时间驱动，控制器为事件驱动的网络控制系统，假设网络只存在于 控制器与传感器节点之间，网络诱导时延可忽略不计，假设数据包丢失率一定， 利用具有事件率约束的异步动态系统的稳定性结论，分析了闭环系统的指数稳定 性，并对保证闭环系统稳定的数据包丢失率的范围进行了研究。l e ix i e 1 3 l 介绍了 一种具有网络时延n c s 的稳定判据。p a r kbie ta 1 【1 4 】讨论了一个数字控制器和多 个控制对象通过一个共用的带有延时的计算机网络连接在一起的n c s 的设计问 题。提出一种解决网络诱导延时的方法，指出网络诱导延时可允许的范围取决于 n c s 中的采样时间和控制对象的动态。h o j u n y 0 0 1 1 5 提出了一种利用l m i 补偿 n c s 的网络时延的方法。樊卫华【1 6 】针对网络诱导时延的影响，利用状态观测器的 预测功能削弱时延的影响，给出了m i m o 网络化控制系统渐进稳定的充分条件及 控制器和观测器的协同设计方法。樊卫华等【1 7 】考虑存在数据包丢失和乱序，针对 具有时变控制时延的线性离散系统。利用l y a p u n o v 方法，给出了与时滞相关的闭环 系统渐近稳定的充分条件；通过求解l m i ，给出了保证闭环系统渐近稳定的时延 上界的求取方法。康军，戴冠中【l8 】在具有时延和丢包的非理想网络传输情况下， 根据l y a p u n o v 稳定性理论和线性矩阵不等式方法，提出了一种基于q o s 的n c s 风 保性能控制器的设计方法。江兵，张崇巍【1 9 】针对一类具有不确定时延的n c s ，利 用l y a p u n o v 稳定性理论和线性矩阵不等式方法，给出n c s 保性能控制律存在的条 件和设计方法以及最优保性能控制律的设计。谢成祥，胡维礼【2 0 j 针对一类具有网 络诱导时延大于采样周期且存在数据丢包的n c s ，依据分离原理分别设计了状态 预测器和控制器，给出了参数化设计方法。又在文献 2 1 】中，考虑不大于一个采 样周期的不确定时延和有限能量的外部扰动，提出一种基于模型的反馈控制策略， 利用l y a p u n o v 理论推导了玩控制律存在的充分条件，通过求解矩阵不等式约束的 优化问题得到最优巩控制律。文献【2 2 1 对具有不确定性的非线性n c s 进行了研 4 随机丢包情况的n c s ，采用状态增广以克服时延对n c s 分析的影响，进而考虑随 机丢包情况，将增广系统转化为切换系统，进而提出鲁棒控制器的设计方法。傅 雷，戴冠中1 2 4 】针对具有控制时延和输出时延的n c s ，采用连续系统的离散化模型 并考虑时延大于采样周期的情况，给出一种鲁棒鼠时延相关带记忆动态反馈控制 方法。刘磊明等1 2 5 j 针对n c s 中的随机时延时变有界，且上界大于一个采样周期的 情况，应用离散化和增广状态空间方法，建立了离散时间m a r k o v 线性跳变系统模 型，研究了带有动态输出控制器的n c s 问题。 在n c s 的分析与设计研究中，对于时延和丢包的处理大都是被抽象为具有不 同时延特性的数学模型进行分析和综合的。而对时延系统无论是稳定性，还是鼠 鲁棒控制、保代价控制或容错控制，按照是否依赖于时滞得到的各类结果都可分 为两类，即时滞不依赖和时滞依赖。由于时滞依赖的条件要求存在一个时滞界， 使得保守性得以减少，同时也成为衡量时滞依赖条件保守性的主要指标，因而近 年来，时延系统研究中时滞依赖条件的获得受到了学术界的广泛关注。通常减少 结果保守性的方法主要有：交叉项界定法、模型变换法、积分不等式、松弛变量 引入以及l y a p u n o v k r a s o v s k i i 泛函的适当选取 2 6 ，2 7 1 等。目前得到的时滞依赖稳 定性结果都是基于以上一个或多个技术的结合。近些年来，这些方法也推广到了 n c s 中。 一 一兰坠 在n c s 中，针对减少结果的保守性研究，随着学术界的不断探索，也取得不 少成果。p e n ga n dt i a n 2 8 ，t i a ne ta 1 2 9 】，a n dy u ee ta 1 3 0 3 1 】通过引入自由权矩 阵以处理交叉项的方法，得到了比以前的处理方法更少保守性的稳定性准则。 p a r l a k e i 3 2 结合模型变换与自由权矩阵技术，研究了n c s 的时滞依赖稳定性问题， 得到了少保守性的稳定性条件。然而，在文 2 8 3 1 】中，由于使用了太多的自由权 矩阵，使系统求解计算量增加。近期针对时延系统，文 3 3 1 通过构造一种适当的 l y a p u n o v 函数，研究具有区间时变时延系统的稳定性问题，提出了一种新的方法 去估计l y a p u n o v 函数时间导数的上界，这里没有忽略一些有用的项，得到的稳定 性结果既适合快变时延又适合慢变时延。文【3 4 】考虑到 3 3 】中的l y a p u n o v 函数还有 改进的空间，将时延项分为常数部分和时变部分两部分，建立新的 l y a p u n o v k r a s o v s k i i 泛函，仿真结果表明了这种方法比文【3 3 】具有更小的保守性。 文【3 5 】提出了一种新的由无关联的增广矩阵构成的增广l y a p u n o v k r a s o v s k i i 泛函， 使用此方法所得的结果，比文 3 6 】中所使用的方法具有更少的保守性。文 6 】考虑 到信息传输可能会经多个不同的网络环节，提出了一种具有多时延的新模型。文 【5 】在此基础上从l y a p u n o v k r a s o v s k i i 函数的微分项的保留入手，在减少稳定性准 则保守性和讨论了玩问题的同时，将其推广到了网络控制系统，并进行相应的稳 定性分析。在实际工程中，n c s 的数据传输总会产生时延：因此这种考虑时延下 界信息的处理方式更接近网络实际，会使所得结果具有较少的保守性。这对控制 5 爱东一j 皇鲁皇皇曼曼曼曼曼曼曼舅量曼量皇皇曼曼曼曼皇曼曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼皇鼍曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇! 曼曼量量曼曼曼詈曼量曼皇曼曼曼曼曼皇量量量量皇曼曼曼量皇葛 界具有重大意义。 1 3 容错控制研究综述 “容错 原是计算机设计技术中的一个概念，容错( f a u l tt o l e r a n c e ) 是容忍故 障的简称。容错控制的思想最早可以追溯到1 9 7 1 年，以n i e d e r l i n s k i 提出完整性控 制的概念为标志【3 7 1 ，b e a r d 同时也开始了容错控制的研究【3 8 】。s i l j a k 于1 9 8 0 年发 表的关于可靠镇定的文章【3 9 】是最早开始专门研究容错控制的文章之一。容错控制 ( f a u l t t o l e r a n c ec o n t r o l ，f t c ) 的概念是1 9 8 6 年9 月由美国国家科学基金会和美国电 气和电子工程师学会( i e e e ) 控制系统学会共同在美国加州桑塔卡拉大学举行的控 制界专题讨论会的报告中正式提出的。容错控制发展至今只有3 0 年左右的历史， 作为一门新兴的交叉学科，它的理论基础涉及现代控制理论、计算机工程、数理 统计、信号处理、模式识别、人工智能以及相应的应用学科。近年来，伴随着微 电子技术的进步，工业系统中的容错控制也逐渐成为热点。国内外学者纷纷在机 械、汽车、交通网络，以及核电站、化工等相关领域开展了研究工作【4 4 。 1 4 容错控制的一般方法 伴随着基于解析冗余的故障诊断技术的发展，动态系统容错控制( f a u l t t o l e r a n tc o n t r o l ，f t c ) 也逐渐发展起来的。如果在执行器、传感器或元部件发 生失效故障时，闭环控制系统仍然稳定，并仍然具有较理想的特性，就称此闭环 系统为容错控制系统【4 5 1 。它作为确保控制系统可靠性和安全性的一条重要途径， 受到了控制领域的广泛高度重视。容错控制方法一般可以分成两大类，即：被动 容错控制和主动容错控制。被动容错控制试图以一种事先设计确定、运行过程中 固定不变的控制方案来实现容错控制。它不需要硬件冗余，也不需要f d d 机构， 因此，不会因为f d d 机构的误报警和漏报警对系统产生不利的影响，加之，这种 容错控制方案工程实现上的经济性和可靠