（控制科学与工程专业论文）网络控制系统的故障检测与容错控制.pdf

摘要 本文研究了网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，n c s s ) 的故障检测与容错控 制，主要内容如下： ( 1 ) 研究了具有输出短时延和控制短时延的网络控制系统的故障检测与保成本容 错控制问题。针对具有输出短时延和控制短时延的网络控制系统，假设系统传感器节点 和控制器节点采用时间驱动，执行器节点采用事件驱动，将系统建模为具有参数不确定 性的离散系统。首先考虑系统具有外在干扰情况下的故障检测问题，按照时延补偿策略 设计了系统的鲁棒玩故障观测器，利用l y a p u n o v 方法和矩阵不等式方法，给出了观测 器系统的稳定性条件，并对检测的鲁棒性和灵敏度进行了综合分析。接着考虑系统具有 数据包丢失情况下的故障检测问题，设计了基于开环观测和闭环观测相结合的故障观测 器，在数据包丢失率一定的情况下，将观测器误差系统等效为具有事件发生率约束的异 步动态系统，基于异步动态系统理论和矩阵不等式方法，给出了系统的指数稳定性条件。 然后基于观测器研究了具有输出短时延和控制短时延的网络控制系统传感器失效的完 整性问题。按照时延补偿策略设计了系统的状态观测器。然后考虑可能发生的传感器故 障，基于观测器建立了网络控制系统增广模型，针对二次型性能指标函数，利用控制器 和观测器协同设计方法和矩阵不等式方法，得出了系统完整性条件，并给出了系统的保 成本容错控制器和观测器的设计方法。 ( 2 ) 研究了长时延网络控制系统的故障检测与保成本容错控制问题。首先考虑具 有输出长时延和数据包丢失的网络控制系统的故障检测问题，考虑执行器和传感器之间 存在采样时钟异步的情况，建立了系统离散数学模型，根据控制器接收数据包的情况， 设计了系统的故障观测器，并将观测器误差系统建模为一类具有不确定性的离散切换系 统，基于切换系统理论和矩阵不等式方法给出了系统的稳定性条件。然后基于观测器， 分别按照系统具有控制时延和同时具有控制时延和输出时延的情况，研究了长时延网络 控制系统传感器失效的完整性问题。当系统具有控制时延时，设计了系统的状态观测器， 当系统同时具有控制时延和输出时延时，设计了系统的时延补偿状态观测器，考虑可能 发生的传感器故障，基于观测器分别建立了两种情况下的网络控制系统增广模型，针对 二次型性能指标函数，利用控制器和观测器协同设计方法和矩阵不等式方法，分别得出 了系统完整性条件，给出了系统的保成本容错控制器和观测器的设计方法。 ( 3 ) 研究了非线性网络控制系统的容错控制i 口- j 题。针对被控对象可由t a k a g i s u g e n o ( t - s ) 模糊模型描述的非线性网络控制系统，当网络诱导时延为时变不确定短时延时， 将系统建模为一类具有参数不确定性的t - s 模糊模型。在此基础上，设计了系统的模糊 状态观测器，考虑到可能发生的传感器故障，利用模糊控制理论和矩阵不等式方法，得 i 出了观测器系统在传感器故障时具有完整性的充分条件，并给出了模糊容错控制器和模 糊观测器的设计方法。进一步地，研究了系统的巩容错控制i 口- j 题，给出了使系统满足 扰动抑制性能指标的模糊容错控制器和模糊观测器设计方法。 ( 4 ) 研究了基于连续时间模型的变采样网络控制系统的容错控制问题。假设系统 时变时延和采样间隔均有上界，利用混杂系统理论将系统建模为混杂系统。在此基础上， 考虑可能发生的执行器故障，应用l y a p u n o v 稳定性理论和矩阵不等式方法，得出了保 成本容错控制律的存在条件，给出了保成本容错控制器的设计方法和最小性能界的求解 方法。然后考虑系统具有不确定性参数，研究了系统鲁棒容错控制器设计问题，给出了 系统鲁棒容错控制器设计方法和系统完整性条件下最大时延估计值。进一步研究了系统 的鲁棒风容错控制问题，给出了使系统满足扰动抑制性能指标的鲁棒容错控制器设计 方法。 关键词：网络控制系统，故障检测，容错控制，网络诱导时延，观测器，数据包丢失， 协同设计，保成本，l y a p u n o v 方法，非线性 a b s t r a c t t h ef a u l td e t e c t i o na n df a u l t t o l e r a n tc o n t r o lf o rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s s ) a r e s t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nr e s e a r c h e sa r ec o n c l u d e da u sf o l l o w s ： ( i ) t h ef a u l td e t e e t i o na n dg u a r a n t e e df a u l t t o l e r a n tc o n t r o lf o rn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m sw i t hs h o r to u t p u td e l a ya n d s h o r tc o n t r o ld e l a ya r es t u d i e d s u p p o s i n gt h a tt h es e n s o r a n dc o n t r o l l e rn o d e sa r et i m e d r i v e na n dt h ea c t u a t o rn o d ei se v e n t d r i v e n ，t h es y s t e mi s m o d e l e da sad i s c r e t et i m es y s t e mw i t hp a r a m e t r i c a lu n c e r t a i n t i e s f i r s t l y , c o n s i d e r i n gt h e s y s t e mw i t hd i s t u r b a n c e s ，t h ep r o b l e mo ft h ef a u l td e t e c t i o ni sd i s c u s s e d t h er o b u s th 。 f a u l to b s e r v e ro ft h es y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h et i m e - d e l a yc o m p e n s a t i o ns t r a t e g y t h e nt h es t a b i l i t yc o n d i t i o no ft h eo b s e r v e rs y s t e mi sg i v e nb yu s i n gt h ea p p r o a c h e so f l y a p u n o va n dm a t r i xi n e q u a l i t i e s ，a n dt h er o b u s t n e s sa n ds e n s i t i v i t ya r ea n a l y z e d s e c o n d l y , c o n s i d e r i n gt h es y s t e mw i t hd a t ap a c k e td m p o u lt h ep r o b l e mo ft h ef a u l td e t e c t i o ni s d i s c u s s e d t h ef a u l to b s e r v e rc o m p o s e do fo p e n - l o o po b s e r v a t i o na n dc l o s e - l o o po b s e r v a t i o n i sp r o p o s e d u n d e rf i x e dp a c k e td r o p o u tr a t e ，t h eo b s e r v e re r r o rs y s t e mi se q u i v a l e n tt oa l l a s y n c h r o n o u sd y n a m i c a ls y s t e ma n db a s e do na s y n c h r o n o u sd y n a m i c a ls y s t e mt h e o r ya n dt h e a p p r o a c ho fm a t r i xi n e q u a l i t i e s ，t h ec o n d i t i o nf o re x p o n e n t i a ls t a b i l i t yo ft h es y s t e mi sg i v e n t h i r d l y , b a s e do no b s e r v e r , t h ep r o b l e mo fi n t e g r i t ya g a i n s ts e n s o rf a i l u r e sf o rt h en e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m sw i ms h o r to u t p u td e l a ya n ds h o r tc o n t r o ld e l a yi sd i s c u s s e d t h es t a t e o b s e r v e ro ft h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h et i m e d e l a yc o m p e n s a t i o ns t r a t e g yi sd e s i g n e d t h e n ， c o n s i d e r i n gp o s s i b l es e n s o rf a i l u r e s ，a l la u g m e n t e dm a t h e m a t i cm o d e lf o rt h en e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m sb a s e do no b s e r v e ri sd e v e l o p e d i nt e r m so ft h eg i v e nq u a d r a t i cp e r f o r m a n c e i n d e xf u n c t i o n ，t h ei n t e g r i t yc o n d i t i o no ft h es y s t e mi sg i v e na n dt h ed e s i g n sf o rg u a r a n t e e d c o s tf a u l t - t o l e r a n tc o n t r o l l e ra n do b s e r v e ra r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l yb yu s i n gt h ec o o p e r a t i v e d e s i g na p p r o a c ho ft h ec o n t r o l l e ra n do b s e r v e ra n dt h ea p p r o a c ho fm a t r i xi n e q u a l i t i e s ( 2 ) t h ef a u l td e t e c t i o na n dg u a r a n t e e df a u l t t o l e r a n tc o n t r o lf o rn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m sw i t hl o n gt i m ed e l a ya r es t u d i e d f i r s t l y , t h ep r o b l e mo ft h ef a u l td e t e c t i o nf o rt h e n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw i t hl o n go u t p u td e l a ya n dd a t ap a c k e t sd r o p o u ti sd i s c u s s e d t h e d i s c r e t em a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu pu n d e rt h ee x i s t e n c eo fa s y n c h r o n o u sc l o c kb e t w e e nt h e a c t u a t o ra n dt h es e n s o r b a s e do nt h em o d e l ，t h ef a u l to b s e r v e ro ft h es y s t e mi sd e s i g n e d ， a c c o r d i n gt oc o n d i t i o n so fd a t aa r r i v a lo ft h ec o n t r o l l e r , a n dt h eo b s e r v e re r r o rs y s t e mi s e q u i v a l e n tt oad i s c r e t es w i t c h e ds y s t e mw i t hp a r a m e t r i c a lt m c , e r t a i n t i e s t h e nt h es t a b i l i t y c o n d i t i o no ft h es y s t e mi sg i v e nw i t ht h es w i t c h e ds y s t e mt h e o r ya n dt h ea p p r o a c ho fm a t r i x 1 i i i n e q u a l i t i e s s e c o n d l y , b a s e do no b s e r v e r , t h ep r o b l e mo fi n t e g r i t ya g a i n s ts e n s o rf a i l u r e si s d i s c u s s e ds u p p o s i n gt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw i t hc o n t r o ld e l a ya n db o t ho u t p u td e l a y a n dc o n t r o ld e l a y , r e s p e c t i v e l y f o rt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw i t hc o n t r o ld e l a y , t h es t a t e o b s e r v ei sd e s i g n e da n df o rt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw i t hb o t ho u t p u td e l a ya n dc o n t r o l d e l a y , t h eo b s e r v e rw i t hd e l a yc o m p e n s a t i o ni sc o n s t r u c t e d t h e na c c o r d i n gt op o s s i b l es e n s o r f a i l u r e s ，a l la u g m e n t e dm a t h e m a t i cm o d e lf o rt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sb a s e do ns t a t e o b s e r v e ri sd e v e l o p e dr e s p e c t i v e l y i nt e r m so ft h eg i v e nq u a d r a t i cp e r f o r m a n c ei n d e x f u n c t i o n ，t h ei n t e g r i t yc o n d i t i o no ft h es y s t e mi sg i v e na n dt h ed e s i g n sf o rg u a r a n t e e dc o s t f a u l t - t o l e r a n tc o n t r o l l e ra n do b s e r v e ra r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y , b yu s i n gt h ec o o p e r a t i v e d e s i g na p p r o a c ho f t h ec o n t r o l l e ra n do b s e r v e ra n dt h ea p p r o a c ho f m a t r i xi n e q u a l i t i e s ( 3 ) t h ef a u l t - t o l e r a n tc o n t r o lf o rn o n l i n e a rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m si ss t u d i e d t h en o n l i n e a rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw h i c hp l a n tc a nb ed e s c r i b e db yt - sf u z z ym o d e l s i sm o d e l e da sad i s c r e t et i m et - sf u z z ym o d e lw h e nt h en e t w o r k i n d u c e dd e l a yi su n c e r t a i n s h o r tt i m e - v a r y i n gd e l a y t h e nb a s e do nt h em o d e l ，t h ef u z z ys t a t eo b s e r v e ri sd e s i g n e da n d c o n s i d e r i n gp o s s i b l es e n s o rf a i l u r e s ，t h es u f f i c i e n ts t a b i l i t yc o n d i t i o no fi n t e g r i t ya g a i n s t s e n s o rf a i l u r e si sg i v e na n dt h ed e s i g n sf o rf u z z yf a u l t - t o l e r a n tc o n t r o l l e ra n df u z z yo b s e r v e r a r ep r e s e n t e db yu s i n gt h et h e o r yo ff u z z yc o n t r o la n dt h ea p p r o a c ho fm a t r i xi n e q u a l i t i e s t h e nt h e h 。f a u l t - t o l e r a n tc o n t r o lf o rt h es y s t e mi sa l s os t u d i e da n daf u z z yf a u l t t o l e r a n t c o n t r o l l e ra n daf u z z yo b s e r v e rs a t i s f y i n gt h eh 。p e r f o r m a n c ei n d e xa r ed e s i g n e d ( 4 ) t h ef a u l t t o l e r a n tc o n t r o lf o rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m su n d e rv a r i a b l e - p e r i o d s a m p l i n gb a s e do nt h ec o n t i n u o u s t i m em o d e li ss t u d i e d a s s u m i n gt h a tt h et i m e v a r y i n g d e l a ya n dt h es a m p l i n gi n s t a n t sh a v eu p p e rb o u n d ，t h es y s t e mi sm o d e l e da sah y b r i ds y s t e m b ye m p l o y i n gh y b 谢s y s t e mt h e o r y b a s e do nt h em o d e l ，c o n s i d e r i n gt h ep o s s i b l ea c t u a t o r f a i l u r e s ，t h ee x i s t e n c ec o n d i t i o n so fg 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 ll a wi st e s t i f i e da n d t h ed e s i g nf o rg 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 ra n dt h em i n i m i z a t i o ng u a r a n t e e dc o s t s o l u t i o na r ep r e s e n t e di nt e r m so ft h el y a p u n o vs t a b i l i t yt h e o r yc o m b i n e dw i t hm a t r i x i n e q u a l i t i e s t h e n ，c o n s i d e r i n gt h es y s t e mw i t hp a r a m e t r i c a lu n c e r t a i n t i e s ，t h er o b u s t f a u l t - t o l e r a n tc o n t r o l l e rm e t h o di ss t u d i e d t 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 rm e t h o da n dt h e m a x i m u mv a l u eo ft i m e - v a r y i n gd e l a y sa r eg i v e nu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es y s t e mw i t h i n t e g r i t y f u r t h e r m o r e ，t h er o b u s th 。f a u l t - t o l e r a n tc o n t r o l l e rm e t h o di sa l s os t u d i e da n da r o b u s tc o n t r o l l e rs a t i s f y i n gt h eh 。p e r f o r m a n c ei n d e xi sd e s i g n e d k e y w o r d s ： n e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m s ， f a u l t d e t e c t i o n ， f a u l t t o l e r a n t c o n t r o l ， n e t w o r k i n d u c e dd e l a y , o b s e r v e r ，d a t ap a c k e td r o p o u t ，c o - d e s i g n ，g u a r a n t e e dc o s t ，l y a p u n o v f u n c t i o n ，n o n l i n e a r i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，存本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 缮布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：盟 川年l z 羁| o e 1 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盟珈7 年，2 月，9h 博士论文网络控制系统的故障检测与容错控制 1 绪论 1 1 研究目的和意义 随着控制系统的规模越来越大，复杂程度越来越高，分布越来越广，以及计算机信 息技术、信息技术、控制技术和网络通信技术的日益发展和交叉渗透，基于网络环境的 自动控制已经成为一种新的应用趋势。网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，n c s s ) 是利用专用或通用的通信网络连接构成闭环的控制系统n 删。它是复杂控制系统和远程 控制系统的客观需求，充分体现了控制系统网络化、集成化、分布化、节点智能化的发 展趋势。网络控制系统改变了传统控制系统的概念，与传统控制系统相比，网络控制系 统具有可以实现资源共享、远程操作等特点，增加了系统的灵活性，降低了系统的运行 成本低和维护费用，为控制预域的扩展提供了空前的机遇和挑战，具有良好的应用前景。 如今，网络控制已经成功应用于国民经济和国防建设的多个领域，如电力生产、机器人 遥控、远程教学和实验、电气化运输设备、遥医学等。因此，随着网络控制系统在实际 工程和社会生活中的应用越来越广泛，网络控制系统的研究得到了国内外研究人员的极 大关注，有越来越多的学者加入到这一行列。目前美国加州大学b e r k e l e y 分校、b e l l 实 验室、a t & t 的i n t e r n e t 研究中心、m a r y l a n d 大学、c a s ew e s t e r nr e s e r v e 大学、瑞典 l u n d 工学院以及国内多所重点大学均展开了对网络控制系统的研究。 在网络控制系统中，由于网络带宽、承载能力、服务能力的限制，在控制回路中不 可避免地会产生网络诱导时延、数据包丢失、时变传输周期、网络信息调度等问题，导 致控制系统性能下降甚至不稳定，使得系统的分析和设计变得异常复杂，传统控制系统 的研究方法和控制理论难以直接应用于网络控制系统。因此，必须根据网络传输信息的 特点，重新建立网络控制系统的控制理论与控制方法。目前，网络控制系统的研究主要 集中在网络控制系统数学模型的建立、稳定性分析和网络信息调度等方面。对网络控制 系统的故障诊断和容错控制的研究相对比较少，但是已引起了越来越多学者的关注。另 外，控制系统在运行过程当中，传感器、执行机构以及系统内部元件都不可避免地会发 生故障，网络控制系统也一样。而且由于网络控制系统的复杂性，在网络控制系统中， 引起系统故障的因素更多，情况更复杂，对大型的网络控制系统，一旦发生事故就有可 能造成人员和财产的巨大损失，甚至引发灾难性事故的发生。因此，为了提高网络控制 系统的稳定性、可靠性和安全性，对网络控制系统的故障诊断与容错控制的研究就具有 十分重要的理论意义和应用价值，同时还具有可观的经济效益。本文研究的问题就是在 这种背景下提出的。 第l 章绪论 博士论文 1 2 网络控制系统概述 网络控制系统的研究始于上个世纪八十年代后期，r a ya 等人在对集成通信控制系 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 ，简称 c c s ) 的研究中提出了网络控制 系统的初步概念。i c c s 可以看成是网络控制系统的雏形，作为“网络控制系统”的提 法最早出现于1 9 9 8 年马里兰大学g c w a l s h 等人的论著中。此后逐渐成为学术界的一个 研究热点。 1 2 1 网络控制系统的基本问题 与传统的控制系统不同，由于网络的介入，不可避免地存在网络诱导时延、网络节 点驱动方式、数据包丢失、时变传输周期、多包传输以及网络信息调度等基本问题。在 对系统进行分析与设计时，必须考虑这些问题的影响。 ( 1 ) 网络诱导时延 网络诱导时延是指由于网络的介入而使得控制系统的信息传输产生的时延。时延是 造成系统性能下降的重要因素之一，它影响闭环系统的稳定性和动态性，是目前网络控 制系统研究中最受关注的基本问题。网络诱导时延包括传感器一控制器时延和控制 器一执行器时延尸。传感器一控制器时延又叫输出时延，控制器一执行器时延又叫控 制时延。无论是输出时延还是控制时延都可以分为三部分【l 引，即源节点时延、网络通道 中的时延和目标节点的时延。在源节点和目标节点的时延称为器件时延，在网络通道中 的时延称为通道时延。关于网络诱导时延的详细分析见文献【1 6 】。 网络诱导时延受到网络拓扑结构、网络所采用的通信协议、路由算法、网络当时的 负载状况、网络的传输速率和数据包的大小等因素的影响呈现出或固定、或随机、或不 确定时变的特征【1 0 】。如在令牌网( t o k e n ) 、令牌环( t o k e nr i n g ) l 网中，令牌在网络节点间 依次传输，节点获得令牌时才能发送数据。节点等待发送所需要的时间由网络的节点数 以及自身的优先级决定，一旦这些因素确定，节点等待发送数据的时间即可确定，时延 呈现固定的特征；在以太网中，采用的是c s m a c d 介质存取控制( m a c ) 机制，时延呈 现随机时变的特性；在d e v i c e n e t 网中，采用优先级仲裁m a c 机制，可保证高优先级 数据获得网络使用权，时延呈现不确定时变的特性。 在大多数情况下，网络诱导时延是时变不确定的，按照时延上界与传感器采样周期 r 的关系，它可能大于一个采样周期，也可能小于等于一个采样周期，w e iz h a n g 引入 下列定义【3 】： 定义1 。2 2 。1 若网络诱导时延在区间【0 口】内分布，且口t ，则称这样的网络 诱导时延为短时延。 定义1 2 2 2 若网络诱导时延在区间【0 口】内分布，且口 t ，则称这样的网络 2 博士论文网络控制系统的故障检测与容错控制 诱导时延为长时延。 ( 2 ) 数据包丢失 与传统控制系统不同，在网络控制系统中，信息是以数据包的形式传输的，在传输 过程当中数据包有可能发生丢失现象。造成数据包丢失主要有三个方面：其一，由于网 络的阻塞和连接中断导致数据包丢失，这是网络控制系统中数据包发生丢失的主要因 素；其二，当多个节点同时发送数据时，需要竞争数据发送权，若节点在规定的时间内 仍然未能成功发送，则该数据将被丢弃；其三，数据在网络传输过程中可能会因发生错 误而被要求重发，如果该节点的数据在规定的重发时间内仍然没有成功发送，则该数据 被丢弃，这些事件的发生都可被视为数据包丢失【3 1 。 ( 3 ) 时变传输周期 在传统的计算机控制系统中，对被控对象的采样一般都假设为等周期采样，从而可 大大简化系统的分析【1 7 】。然而，在网络控制系统中，这种假设将不一定成立，对采样数 据的传输可以是周期的，也可以是非周期的，这取决于控制网络的介质存取控制协议 ( m e d i u m a c c e s sc o n t r o lp r o t o c o l ，简称m a c 协议) 。 ( 4 ) 单包传输和多包传输 网络控制系统中，数据包传输有两种形式：单包传输和多包传输。所谓单包传输是 指传感器等系统部件的待发数据被封装于一个数据包发送。而多包传输是指传感器等系 统部件的待发数据分成多个数据包分时发送。造成多包传输的原因主要有两个方面：其 一，是当一个系统部件待发送的数据量超过了数据包容量限制时，将数据分割成多个数 据包传输；其二，是系统具有多个传感器和( 或) 执行器，且它们分布在一个很大的物理 空间，很难将所有传感器的数据用单个数据包进行传输，这时也须采用多包传输。 ( 5 ) 网络信息调度 网络控制系统中，信息调度是指确定网络节点发送数据的次序和发送时刻、时间间 隔等，一般发生在网络应用层，或传输层的上层【1 2 , 1 3 】。通过设计合理的网络信息调度策 略，可以充分利用网络带宽，减少网络节点竞争，控制网络负荷，提高网络运行性能， 在一定程度上可以降低网络诱导时延、数据包丢失、时序错乱等问题对系统性能造成的 影响。在设计调度策略时，若能考虑控制性能，进行控制与调度协同设计，则可以达到 控制性能与调度性能之间的平衡，实现系统性能的综合优化【1 2 , 1 8 , 1 9 】。 ( 6 ) 网络节点故障 在网络控制系统当中，网络节点承担着采集、处理和发送数据等任务。节点发生故 障，会导致系统不能按照预期的功能运行甚至失稳，对整个系统的影响是巨大的。在各 个网络节点当中，以执行器节点和传感器节点的故障最为常见【2 0 , 2 1 , 2 2 1 。由于执行器和传 感器与控制器位于不同的物理位置，而故障检测与诊断单元往往位于控制器端，无法及 时和准确的获取包含故障信息的检测数据，再加上网络控制系统中可能存在的其它基本 第l 章绪论博士论文 问题，因此设计难度较大。 1 2 2 网络控制系统的研究现状 自r a y 等人提出i c c s 概念以来，关于网络控制系统的研究经历了二十多年的历程， 成为学术界的一个研究热点。关于网络控制系统的研究主要有三个方面：一方面把网络 与通信协议作为已知条件，考虑网络诱导时延、数据包丢失、时变传输周期等问题，通 过设计控制策略满足系统的性能需求；另一方面通过设计网络协议和信息调度策略，改 善网络的运行性能，减少网络诱导时延和数据包丢失的可能性，提高网络控制系统的性 能；再一方面兼顾网络运行性能和控制性能，协同设计控制算法和调度算法，优化网络 控制系统的综合性能。 到目前为止，网络控制系统的研究己取得了丰硕的成果。研究的领域包含了连续域、 离散域和连续一离散混合域；研究的对象包括线性定常、线性时变和非线性的对象；系 统的分析和设计方法有基于随机控制理论的方法，基于确定性控制的方法，基于鲁棒控 制的方法，基于自适应控制、智能控制、预测控制的方法以及基于离散事件系统、混杂 系统的方法；所研究的问题包括网络诱导时延，数据包丢失，多包传输网络控制系统以 及网络调度方法等问题以及网络控制系统的设计与实现技术等。 ( 1 ) 时延网络控制系统 根据网络诱导时延的不同特性，应采用不同的控制方法进行研究。当网络诱导时延 的变化率很小，可以近似认为时延是固定的。这时网络控制系统可认为是一个确定性系 统，可以用确定性系统的方法对其进行研究。文献 2 3 】对网络只存在于传感器和控制器 之间的固定时延网络控制系统，在控制器节点建立被控对象模型，研究了闭环系统渐近 稳定的充要条件。当己知系统时变时延的上界时，可以在系统中设置缓存，将时变时延 转化为固定时延。文献 2 4 2 5 针对网络存在于传感器与控制器之间的网络控制系统，利 用缓存将时变时延转化为固定时延，设计了具有时延补偿功能的状态观测器，并证明了 所设计的观测器可实现极点任意配置。该方法的优点是降低了系统建模与控制的难度， 使得系统的分析得以简化，缺点是人为地增加了网络诱导时延，对系统性能可能产生一 定的负面影响。 当网络诱导时延的变化服从某种随机分布特性时，可以用随机控制理论和方法对网 络控制系统进行分析和设计。当随机时延小于一个采样周期时，文献 2 6 ，2 7 建立了系统 的离散时间模型，设计了l q g ( l i n e a rq u a d r a t i cg a u s s i a n ) 随机最优控制器和状态观测器， 并证明了系统设计的分离原理依然成立。文献 2 8 】引入了分段时戳动态矩阵控制算法， 在线测量网络时延，校正系统的阶跃响应系数向量和控制系数向量，并采用分段算法来 减少所需的在线计算量，给出了算法的推导过程和程序实现方法。当随机时延大于一个 采样周期时，系统的时变特性更为复杂，对系统分析采用的方法也较多。文献 2 9 】提出 4 博士论文网络控制系统的故障检测与容错控制 了时戳预测函数控制算法，该算法通过时间戳来估计由系统的控制延迟，在预测系统未 来输出时明确考虑了该延迟，得出了适用于网络控制系统的控制规律。文献 1 1 ，3 0 利用 随机控制方法分别研究了单包传输和多输入多输出传输网络控制系统的建模与随机最 优控制器设计方法；文献 3 1 】利用混杂系统( h y b r i ds y s t e m s ) 的方法分析了闭环系统的稳 定性；文献【1 5 ，3 1 3 5 】利用跳变线性系统方法分析了网络控制系统的稳定性。 当网络诱导时延呈现不确定性时，由于时延的变化无规律可循，增加了系统建模的 难度，所采用的研究方法呈现多样性。文献 1 3 ，3 6 ，3 7 假设网络诱导时延为不确定短时延， 利用矩阵理论和数学变换将时延的不确定性转化为系统参数的不确定性，利用线性矩阵 不等式( l m i ) 方法和l y a p u n o v 方法给出了系统的控制器设计方法。文献 3 7 ，3 8 假设网 络介入前闭环系统是稳定的，研究了网络介入后保持系统稳定的时延上界求解问题。文 献 3 9 - - 4 1 利用混杂系统方法建立了网络控制系统模型，并给出了系统控制器的设计方 法。文献 4 2 ，4 3 分别考虑具有外在干扰和被控对象含有时变状态和输入时滞的网络控制 系统，将系统建模为具有时变输入时滞的系统，分别给出了系统控制器设计方法和最大 允许时延求解方法。文献【4 4 】基于最大允许时延上界设计了网络控制系统的控制结构。 文献【4 5 】基于切换系统理论分析了网络控制系统的稳定性，并设计了系统的控制器。此 外，许多学者利用诸如参数自整定p i d 控制汹一跏、模糊控制墙心1 等自适应、智能控制技 术研究了不确定时延网络控制系统的控制器设计问题。但由于目前智能控制方法的理论 尚不完善，利用各种智能控制方法设计网络控制系统时，难以在理论上深入。 ( 2 ) 具有数据包丢失的网络控制系统 由于在网络传输中，数据包丢失状况随网络负载实时变化，具有很大的随机性，难 以准确描述其特性，从而增加了网络控制系统建模和控制难度。当数据包丢失率已知时， 系统可建模为具有事件率约束的异步动态系统。文献 1 3 ，5 4 5 7 在同时考虑网络诱导时延 和数据包丢失的基础上，基于异步动态系统的稳定性理论，研究了网络控制系统的指数 稳定性和控制器设计问题。当数据包丢失率未知时，系统可建模为在多个子系统间任意 切换的切换系统。文献i s 8 ，5 9 在不考虑时延的情况下，将网络控制系统建模为具有多个 子系统的切换系统，假设系统中系数矩阵的切换概率与数据包丢失同分布，在此基础上 研究了数据包丢失的补偿策略和控制器的设计方法，并给出了系统稳定的条件。文献 6 0 】 考虑控制器与控制对象之间的网络诱导时延，将网络控制系统建成随机时延切换模型， 研究了网络控制系统的稳定性和控制器设计问题。文献 6 1 1 假设数据包丢失率服从有限 马尔可夫分布变化，将系统建模为线性跳变系统，分析了系统的稳定性。文献 1 2 ，6 2 】考 虑具有时变不确定短时延，设计补偿策略补偿数据包丢失对系统性能的影响，将网络控 制系统建模为类具有参数不确定性的离散切换系统，利用切换系统理论和l m i 方法给 出丢包补偿器和控制器的协同设计方法。当数据包丢失不确定时，文献 3 9 ，4 0 等将系统 建模为混杂系统，利用l m i 方法和l y a p u n o v 方法研究了闭环系统的稳定性和控制器的设 5 第l 章绪论博士论文 计。文献【6 3 】考虑系统同时存在网络诱导时延、数据包丢失和控制输入量化情况，分析 了系统稳定性，并给出了系统的控制器设计方法。文献 6 4 】考虑系统存在随机丢包和时 延的情况，采用前向和反馈补偿设计网络状态观测器，提出了系统的预测控制器模型， 并给出了系统丢包和时延整体解决方案。 ( 3 ) 时变采样周期网络控制系统 与传统的控制系统不同，网络控制系统中的传感器采样周期可以是定常的，也可以 是时变的，这增加了网络控制系统建模和控制的难度。目前，时变传输周期的网络控制 系统的研究成果还较少【1 2 , 6 5 - 7 4 】。文献【6 5 6 7 】针对同时存在长时延和数据包丢失的时变采 样周期网络控制系统，将系统建模为离散