（控制理论与控制工程专业论文）网络化控制系统的容错控制研究及网络平台建设.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r 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 f n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sa n dp l a t f o r m c o n s t r u c t i o n a t h e s i si n c o n t r o ls c i e n c ea n dc o n t r o le n g i n e e r i n g b y w a n gy a n g a d v i s e db y p r o f j i a n gb i n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 i 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：至丕堑垒 日期2 o l0 ；加 1 摘要 随着计算机和网络的发展，网络化控制系统在很多领域得到广泛的应用，因此成为当前研 究的热点。 本文首先研究一类具有随机时延的网络化控制系统的容错控制问题。考虑网络时延满足 m a r k o v 性质的一类非线性网络化控制系统，利用t a k a g i s u g e n o ( t - s ) 模糊模型对系统进行建 模。基于此模型，给出在传感器或执行器发生失效故障情况下故障系统稳定的充分条件，用线 性矩阵不等式给出容错控制器的设计方法，仿真验证了结论的正确性。 接着，研究了一类同时考虑时延和丢包的网络化控制系统的鲁棒容错控制问题。针对具有 随机时延的网络化控制系统，将丢包描述为b e r n o u l l i 分布随机序列，基于随机系统稳定性理论， 给出在传感器或执行器发生失效故障情况下故障系统稳定的充分条件。考虑外部噪声干扰的影 响，对具有容错控制性能的系统进行鲁棒性分析。并用线性矩阵不等式给出具有鲁棒性的容错 控制器的设计方法，仿真验证了结论的有效性。 文章最后部分设计并搭建网络化控制系统物理实验平台。先根据需要和现实条件对平台进 行整体研究，就被控对象选择、电机转速采集、变频器与本地机的串口通信、本地机与远程机 的网络通信等功能要求进行分析，根据要求选择需要的硬件设备，并给出了所选设备的性能， 实现了硬件平台的搭建。在硬件平台的基础上，进行软件设计，实现电机转速采集、变频器与 本地机的串口通信、本地机与远程机的网络通信等功能，完成半物理仿真平台的基础搭建工作， 为后续对网络化控制算法进行实验验证打下基础。 关键词：网络化控制系统，容错控制，时延，丢包，实验平台 网络化控制系统的容错控制及网络平台建设 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，d u et ot h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r sa n dn e t w o r k s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m so 阿c s s ) h a v eb e e n 埘d e l yu s e di nm a n ya r e a s ，t h e r e f o r en c s sh a v eb e c o m ear e s e a r c hh o tt o p i c t h ep r o b l e mo ff a u l t - t o l e r a n tc o n t r o lo fac l a s so ft i m e - d e l a yn 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 f i r s t c o n s i d e r i n g t h en e t w o r k - i n d u c e dd e l a ya sam a r k o vc h 血，t h en c s sa r em o d e l e da sa t a k a g i - s u g e n of u z z ym o d e l b a s e do nt h em o d e l ，t h es u f f i c i e n tc o n d i t i o n sf o rt h en e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m sa g a i n s ts e n s o ro ra c t u a t o rf a i l u r e sa r eg i v e n t h ec o n t r o ll a wi sp r e s e n t e db yl i n e a rm a t r i x e q u a l i t i e s ( l m i s ) t h es i m u l m i o nr e s u l t sv e n f yt h ec o r r e c t n e s so f t h eo b t a i n e dr e s u l t s t h e nt h en c s sw i mt i m e - i n d u c e dd e l a ya n dp a c k e td r o p o u t sa r es t u d i e d i ft h ep a c k e td r o p o u ti s c o n s i d e r e da st h eb e r n o u l l id i s t r i b u t i o n ，a n o t h e rc l a s so f n c s sw i t ht h er a n d o mt i m ed e l a yi sm o d e l e d b a s e d0 nt h em o d e l ，t h es u f f i c i e n tc o n d i t i o n sf o rt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sa g a i n s ts e n s o ro r a c t u a t o rf a i l u r e sa r eg i v e nb yo u t p u tf e e d b a c kc o n t r o ll a w f u r t h e r , t h er o b u s tg u a r a n t e e r i n go ft h e s y s t e m 谢mu n c e r t a i n t yo fd i s t u r bi si n v e s t i g a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ee f f i c i e n c yo ft h e p r o p o s e dm e t h o d t h ef i n a lp a r td e a l sw i t hd e s i g na n di m p l e m e n tt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s f i r s to f m 1i st h eo v e r a l ld e s i g no ft h ep l a t f o r m , s u c ha st h ec o n t r o l l e do b j e c ts e l e c t i o n ，m o t o r s p e e da c q u i s i t i o n , c o n v e r t e r s c r i mc o m m u n i c a t i o nw i t ht h el o c a lc o m p u t e r , t h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o no ft h el o c a lc o m p u t e ra n dr e m o t ec o m p u t e r t h eh a r d w a r ec o m p o n e n t sa r es e l e c t e d a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es e l e c t e dc o m p o n e n t sa r eg i v e n b a s e do nt h eh a r d w a r e ，t h ep l a t f o r m s s o f t w a r ea r ed e s i g n e d t h em o t o rs p e e di so b t a i n e x la n dt h ec o n v e r t e rs e r i a lc o m m u n i c a t i o nw i t ht h e l o c a lc o m p u t e ri sc o m p l e t e d f u r t h e rm o r e ，t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o no ft h el o c a lc o m p u t e ra n d r e m o t ec o m p u t e ri sa c h i e v e d k e y w o r d s ： n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，f a u l t - t o l e r a n tc o n t r o l ，n e t w o r ki n d u c e dd e l a y , p a c k e t d r o p o u t , p l a t f o r m i i l 1 2 网络化控制系统概述一2 1 2 1 网络化控制系统的发展2 1 2 2 网络化控制系统的基本问题4 1 3 故障诊断和容错控制综述。6 1 3 1 控制系统故障诊断技术6 1 3 2 控制系统容错控制技术8 1 3 3 网络化控制系统的故障诊断和容错控制综述9 1 4 本文的研究内容和组织结构1 0 第二章网络化控制系统的数学模型一1 2 2 1 引言。1 2 2 2 网络化控制系统的建模1 2 2 2 1 网络化控制系统模型综述1 2 2 2 2 包含时延的一类非线性网络控制系统1 4 2 2 3 考虑随机丢包和时延的网络化控制系统1 5 2 3 故障模型1 6 2 3 1 传感器故障1 6 2 3 2 执行器故障1 6 2 4 l y a p u n o v 稳定性理论1 7 2 5本章小结1 7 第三章一类时延网络化控制系统的容错控制。1 8 3 1引言1 8 3 2 问题描述1 8 3 3传感器故障1 8 3 4 执行器故障2 2 3 5 仿真实例2 3 3 6 本章小结一2 6 第四章考虑随机丢包和时延的网络化控制系统的容错控制。2 7 4 1 引言一2 7 4 2 问题描述一2 7 i i i 网络化控制系统的容错控制及网络平台建设 4 3 传感器故障2 7 4 4 执行器故障3 4 4 5 仿真实例_ 3 5 4 6 本章小结3 9 第五章网络化控制系统实验平台设计4 0 5 1 弓l 言。4 0 5 3 网络化控制系统物理实验平台的硬件设计4 2 5 3 1 电机转速的采集4 2 5 3 2 本地机与变频器的串口通信4 4 5 3 3 本地机与远程机的网络通信4 5 5 4 网络化控制系统物理实验平台的软件设计4 5 5 4 1 电机转速的采集4 6 5 4 2 本地机与变频器的串口通信4 7 5 4 3 本地机与远程机的网络通信5 l 5 4 4 界面实现5 5 5 5 后续工作5 9 5 6 本章小结6 0 第六章总结和展望一6 l 6 1 全文的工作总结6 1 6 2 后续工作的展望6 l 参考文献6 3 致谢6 9 在学期间的研究成果及发表的学术论文。7 0 i v 堕室堕窒堕丕奎堂堡主堂垡笙奎 图表清单 图1 1d d c 的典型结构2 图1 2d c s 系统的典型结构3 图1 3 网络化控制系统的典型结构3 图2 1 网络化控制系统结构1 l 图2 2 假设条件下的数据包传输过程1 3 图3 1 无故障发生时各状态变量图2 3 图3 2 第二个传感器发生失效故障各状态变量图2 4 图3 3 第一个执行器发生失效故障各状态变量图2 4 图4 1 旯( j | ) ，国( 忌) 随时间变化图3 5 图4 2 无噪声时各状态变量传感器故障条件下的响应曲线图3 5 图4 3 无噪声时各输出变量在传感器故障条件下的响应曲线图3 6 图4 4 加噪声时各状态变量在传感器故障条件下的响应曲线图3 6 图4 5 加噪声时各输出变量在传感器故障条件下的响应曲线图3 6 图4 6 加噪声时各状态变量在执行器故障条件下的响应曲线图3 7 图4 7 加噪声时各输出变量在执行器故障条件下的响应曲线图3 7 图5 1 平台总体结构3 9 图5 2 增量式圆编码器4 1 图5 3p i s o - e n c o d e r 3 0 0 及s c s i i i6 8 针连接器4 l 图5 4 被控电机4 2 图5 5m m 4 4 0 控制端子面板一4 2 图5 6 r s 2 3 2t o r s 4 8 5 的转换器4 3 图5 7p i s o e n c o d e r 3 0 0 计数的程序流程4 7 图5 8c s o c k e t 网络编程模型5 3 图5 9 客户端登陆和退出时客户端和服务器的消息发送处理流程5 4 图5 i o 控制过程中客户端和服务器的消息发送流程5 5 图5 1 1 本地机主界面5 6 图5 1 2 串口设置菜单5 6 图5 1 3 打开串口依次跳出的对话框5 6 图5 1 4 关闭串口依次跳出的对话框5 7 图5 1 5 串口设置对话框5 7 v 网络化控制系统的容错控制及网络平台建设 图5 1 6 通过串口的控制菜单5 7 图5 1 7 当有客户端登陆或退出时服务器状态。5 8 图5 1 8 当有客户端控制时服务器端状态5 8 图5 1 9 客户端登陆界面5 9 图5 2 0 登陆后的客户端界面5 9 v i l m i f d d q o s q o p a 小心i m i c a n a d s s u s s d d c d c s l i l l e 盯m a t r i xi n e q u a l i t y f a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i s q u a l i t yo fs e r v i c e q u a l i t yo fp e r f o r m a n c e a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s f a u l td e t e c t i o na n di s o l a t i o n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k a s y n c h r o n o u sd y n a m i c a ls y s t e m s u n i v e r s a ls e r i a li n t e r f a c ep r o t o c o l d i r e c td i g i t a lc o n t r o l d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s 线性矩阵不等式 故障检测与故障诊断 服务质量 性能指标 人工神经网络 故障检测和分离 控制器局域网 混合动态系统 通用串行接口协议 直接数字控制 分布式控制系统 v u 南京航空航天大学硕士学二论文 第一章绪论 1 1 课题的目的和意义 随着电子、通信和计算机技术的飞跃发展，传感器、执行机构和驱动装置等现场设备的智 能化为通信网络在控制系统更深层次的应用提供了必要的物质基础【1 , 2 1 ，而高速以太网p 1 和现场 总线技术的发展和成熟解决了网络化控制系统自身的可靠性和开放性问题，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 s ，n c s s ) 应运而生。网络化控制系统以其资源共享、分布控制、智能 维护等特点，充分体现了控制系统网络化、集成化、分布化及节点智能化的发展趋势。当今， 在发达国家尽管基于网络的控制系统的应用领域不断扩大，技术水平取得显著进展，但网络控 制系统的技术体系和理论基础还没有形成。在我国，研究网络化控制系统的控制理论和技术体 系，既是关系到国家经济命脉和国防安全的战略性需求，也是提升国家工业基础水平、综合实 力和自主创新能力的重要举措。深入、系统地研究网络控制系统中的科学问题，有助于建立网 络化控制系统的控制理论与控制方法，推进控制与通信的一体化设计进程，形成集通信理论、 计算机科学和控制科学于一体的综合学科体系。 网络化控制系统是通过网络闭环的反馈控制系统，控制器通过网络与传感器和执行器交换 信息，并实现对远程被控对象的控制。网络化控制系统优点在于可以实现资源共享和分布式控 制，成本低，安装容易，维护方便，减少系统线路和增加系统的灵活性。因此，网络化控制系 统得到广泛地应用，如移动传感器网络、远程医疗、互联网上的合作、自动化的公路系统和无 人飞行器等 4 1 。但同时由于网络通信机制和通信协议、网络通信带宽、承载能力和服务能力的 限制，当传感器、控制器和执行器通过网络交换数据时，往往出现数据多路径传输、多包传输、 数据碰撞、网络拥塞、网络连接中断等现象，使网络化控制系统不可避免地产生数据传输时延、 数据包时序错乱、数据包丢失等问题吲，导致控制系统性能下降甚至不稳定，传统的控制理论 和控制方法已不能直接应用于网络化控制系统的分析和设计。 网络化控制系统的研究是一个跨学科的研究领域，网络化控制系统的分析与设计不仅涉及 控制理论中离散、连续及混合等分析方法和控制技术，还要考虑通信网络中的信息传输技术； 网络化控制系统的性能不仅依赖于控制算法，还依赖于对网络资源的调度。网络化控制系统的 研究包括设计合适的通信协议以保证通信网络的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 和设计先进的 控制器以满足系统的性能指标( q u a l i t yo f p e r f o r m a n c e ，q o p ) ，本文研究的是第二种。 随着现代工业及科学技术的迅速发展，特别是计算机技术的发展，现代设备的结构越来越 复杂，自动化系统的规模越来越大，整个系统往往由大量的部件组成，不同部件间相互关联， 一旦发生事故就可能造成人员和财产的巨大损失，系统运行的安全性和可靠性成为必须解决的 网络化控制系统的容错控制及网络平台建设 问题。因此，故障诊断和容错控制技术日益受到关注，逐渐成为研究的热点。 近年来，网络化控制系统被越来越广泛地研究，而网络化控制系统本身也是一个动态的系 统，会发生各种故障，这些故障的发生会导致系统性能下降，甚至系统不稳定，而且故障的发 生频率与系统庞大的规模以及网络化环境形成了尖锐的矛盾。因此，网络化控制系统的故障诊 断和容错控制研究非常必要。 为了验证网络化控制系统的研究成果，必需进行仿真和实验，因此网络化控制系统的仿真 研究也是网络化控制系统研究的一个重要内容。 目前，网络化控制系统的仿真主要通过计算机软件进行模拟仿真，主要有以下一些常用软 件。瑞典l u r i d 工学院研制出的t r u e t i m e 是基于m a t l a b s i m u l i n k 的工具箱，主要包括t r u e t i m e k e m e l 与t r u e t i m en e t w o r k 两个接口模块【6 1 ，为网络化控制系统理论的仿真研究提供了简易可 行、功能齐全的手段。但t r u e t i m e 的机理建模方法也具有局限性，它只适用于单级的网络拓扑， 而且当网络中的通信节点较多时仿真系统运行效率很低。美国加州大学的l n b l 网络研究组于 1 9 8 9 年开发的网络仿真软件n s 2 ，具有良好的开放性和扩展性 7 1 。s u s s e x 大学开发的n c s 2 s i m u 适于在网络统计特征已知的情况下对网络控制性能进行分析仿真研究【引。还有其它的仿真软件 如s i m u l i n k 、o p n e t 等。 还有一些专门研制的软件仿真平台，如大连理工大学硕士论文【9 】使用m a t l a b 软件开发了 一种基于的网络控制系统的仿真平台；吉林大学的博士学位论文1 川搭建了基于n s 2 的网络控制 系统仿真平台，将网络仿真器n s 2 与m a t l a b s i m u l i n k 相结合。 但以上软件仿真平台都无法替代实际的实验平台，不能提供真实的实验环境，最终将阻碍 网络控制的进一步深入研究。因此，要深入网络控制研究，同样需要实际的网络实验平台，浙 江大学的博士论文1 1 1 设计实现了一个基于以太网的网络化运动控制实验平台便是一个很好的 方向。 基于此，本文提出搭建网络化控制系统的实物仿真平台，为网络化控制系统理论研究提供 实验平台，平台通过网络实现对电机转速的远程控制。文中主要对平台整体进行设计，完成平 台的基础搭建工作，为后续用实验论证理论算法提供基础。 1 2 网络化控制系统概述 网络化控制系统是分布式系统，由被控对象、传感器、控制器和执行器组成，与传统的控 制系统相比，系统结构的最大特点是传感器、控制器和执行器之间不是点对点的直接相连，信 息的交换是通过某种形式的通讯网络完成。 1 2 1 网络化控制系统的发展 2 0 世纪5 0 年代开始，计算机在控制系统中得到广泛应用。在后来出现的直接数字控制 2 南京航空航天大学硕士学位论文 ( d i r e c td i g i t a lc o n t r o ld d c ) 系统d p ，传感器和执行器与计算机之间采用点对点连接，信号的传 输、执行都由计算机控制。d d c 的典型结构，如图1 1 所示： 图1 1d d c 的典型结构 由于当时计算机技术不发达且价格昂贵，用一台计算机取代几乎所有控制室仪表，实现过程控 制的全部功能，但同时也带来了危险集中的脆弱性问题，即一旦计算机出现故障，就会造成整 个控制系统的瘫痪。 随着计算机技术的快速发展和控制系统规模的增大，越来越需要计算能力的分布化。 h o n e y w e l l 公司在1 9 7 5 年开发出第一个分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m sd c s ) t d c 2 0 0 0 。在d c s 系统中，用于控制的实时信号并不是通过网络传输的，而网络中共享的只是开 关信号、报警信息、监视信息。分布式控制系统d c s 如图1 2 所示： 图1 2d c s 系统的典型结构 到了2 0 世纪9 0 年代，微处理器的发展对计算机在控制中的应用产生了深刻影响，传感器 和执行器可以带有网络接口，并成为实时控制网络中的独立节点，这导致网络化控制系统的出 3 网络化控制系统的容错控制及网络平台建设 现，所有的控制器、传感器、执行器共享同一串行网络。网络化控制系统的典型结构如图1 3 所示( 其中虚线表示实时控制信息的传输) 。目前，应用于控制领域中的网络化控制系统有现场 总线控制系统、工业以太网控制系统等。随着信息网络技术的发展，e t h e m e t 在工业领域得到 了广泛的应用，现场总线正逐步转向工业以太网。目前，主流工业以太网有：m o d b u s 用户 集团的m o d b u s p t c p ，c o n t r o l n e t 国际和开放设备网制造商协会的e t h e m e t p i p ，现场总线基金 会的f f h s e ，p r o f i b u s 国际的p m f m e t ，中国的e p a 。 图1 3 网络化控制系统的典型结构 1 2 2 网络化控制系统的基本问题 与传统的控制系统不同，网络化控制系统由于网络的加入，使得系统受网络带宽、承载能 力和服务能力的限制，数据信息包的传输不可避免地存在时延、丢包等问题，这些都是在研究 网络化控制系统过程中所要面对的。下面就网络化控制系统存在的基本问题进行介绍。 1 ) 节点的驱动方式 在网络化控制系统中，节点的驱动方式是指传感器节点、控制器节点和执行器节点的启动 方式。目前的控制网络节点有两种驱动方式：时钟驱动和事件驱动。时钟驱动是指网络节点在 预定的时间启动工作，时间驱动可使网络节点周期性地工作；事件驱动是指网络节点在特定的 事件发生时启动工作。传感器一般采用时间驱动，以一定的采样周期采样数据：控制器和执行 器两种驱动方式都可以。控制器事件驱动是指当控制器接收到传感器节点传输来的数据时立即 进行控制计算等操作，执行器事件驱动是指执行器接收到控制器传输来的控制信号，立即执行 控制指令，驱动执行机构，进行相应操作。控制器或执行器的事件驱动可以减少网络时延，避 免时钟驱动时钟同步难、空采样和数据丢失等问题，但实现不易。 采用c s m a 协议的网络如e t h e m e t 、控制器局域网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r kc a n ) 和 l o n w o r k s 支持事件驱动。采用t o k e np a s s i n g 协议的c o n 缸 o l n e t 支持时钟驱动，如p r o f i b u s 和 4 南京航空航天大学硕士学位论文 w o r d f i p 等。 2 ) 网络诱导时延 网络环境下，多用户分时共享网络通信信道。因网络带宽有限且流量变化不规则，当网络 控制系统的传感器、执行器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，由此而形成网络诱导时延( n e t w o r k - i n d u c e dd e l a y ) 。网络诱导时延可能是固定的、随 机的、有界的或不确定的，这取决于通信网络的类型和采用的通信协议。如：以太网采用的是 c s m a c d 介质存取控带f j ( m a c ) 机制，其不确定性使网络呈现出随机、无界的特征；c o n t r o l n e t 网采用的是循环服务机制，其网络时延具有固定或有界的特征；而d e 、r i c e n e t 网采用的优先级 仲裁m a c 机制可保证高优先级数据有界的网络时延，而低优先级的数据则可能经历无界的网 络时延。网络诱导时延，包括： ( 1 ) 传感器到控制器之间的时延f ，。，主要是网络传送过程中的路由时延以及发送时延； ( 2 ) 控制器和执行器之间的时延f 。，这种时延主要也是由于数据包发送和路由所产生的时 延： ( 3 ) 控制器的计算时延t ，这种时延包括智能型网络设备( 如传感器、执行器等) 采样数据、 打包和发送等过程中的编码、解码计算所产生的时延，以及控制器收到数据包后解包和 计算控制律所产生的时延。 由于节点处理数据所花费的时间远小于节点竞争网络使用权所花费的时间，因此常常省略 控制器的计算时延，总的时延即数据包的传输时延可表达为f = + 气。 时延会降低系统的性能甚至导致系统不稳定。 3 ) 单包传输和多包传输 在网络化控制系统中，数据是封装成一定大小的数据包进行传输的。单包传输是指网络化 控制系统中的传感器、控制器的一个待发送数据被封装在同一个数据包中一起发送。而多包传 输是指网络化控制系统中的传感器、控制器的一个待发送的数据被分成多个数据包进行传输。 由于网络传输字节长度的限制或由于网络化控制系统中存在多个分布在不同物理位置的传感器 和执行器节点，控制信息要通过多个数据包传送，这种情况导致在控制网络中信息存在多个不 同时延，从而增加控制系统分析的复杂性。 4 ) 数据包丢失 在采用串行通信方式的网络化控制系统中，当传感器、控制器和执行器利用网络传输数据 和控制信息时，不可避免地出现数据包丢失( p a c k e td r o p o u t ) 。数据包丢失一般分两种：一是由 于传输通道为系统中各节点所共享，并且网络带宽有限，在某一时间能够与控制器存取数据的 传感器和执行器数目有限，当负载较大时，数据碰撞、网络拥塞和节点失败经常发生，数据碰 撞和节点失败将造成数据包丢失。虽然大多数网络具有重传机制，但重传受时间限制，超过限 定时间，数据包仍然会丢失。另一种是在实时控制系统中，系统将一定时间未到达的数据包主 5 网络化控制系统的容错控制及网络平台建设 动丢弃掉，接着发送新数据，以保证信号及时更新和采样数据的有效性。 5 ) 数据包时序错乱 在网络化控制系统中，由于数据的多路径传输机制，网络中同一节点发送到同一目标端的 数据包不可能在相同的时间内到达接收端而产生数据包先后顺序的错乱称为数据包时序错乱。 单包传输情况下，数据包时序错乱指个数据包到达接收端的顺序与发送时的顺序不同：多包传 输情况下，指一个数据被分成多个数据包进行传输，当这些数据包从源节点到达目标节点时， 其到达的时序与原先的时序不同。 1 3 故障诊断和容错控制综述 随着现代工业及科学技术的迅速发展，特别是计算机技术的发展，现代设备的结构越来越 复杂，自动化系统的规模越来越大。整个系统往往由大量的部件组成，不同部件间相互关联， 一旦发生事故不仅影响产品的质量和产量，而且可能发展成严重的人身、设备事故和环境污染， 就可能造成人员和财产的巨大损失。因此系统运行的安全性和可靠性成为必须解决的问题，近 几十年来，故障诊断和容错控制技术日益受到关注。故障诊断和容错控制技术是密不可分的， 其中，故障诊断往往是进行容错控制的基础。 1 3 1 控制系统故障诊断技术 故障诊断技术( f a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i s f d d ) 是- - f - j 以数学、计算机、自动控制、信号 处理、仿真技术、可靠性理论等有关学科为基础的多学科交叉的边缘学科。按照国际故障诊断 权威一德国的f r a n ke m 教授的观点，所有的故障诊断方法可以划分为三种：基于解析模型的 方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法。 1 1 基于解析模型的故障诊断方法 这是发展最早、研究最系统的一种故障诊断方法。所谓基于解析模型的方法，是在明确诊 断对象数学模型的基础上，按一定的数学方法对被测信息进行诊断处理。其优点是对未知故障 有固有的敏感性；缺点是通常难以获得系统模型，且由于建模误差、扰动及噪声的存在，使得 鲁棒性问题日益突出。基于解析模型的方法可以进一步分为以下方法： ( 1 ) 参数估计方法，这种方法由i s e r m a n 于1 9 8 4 年提出。思路是：由机理分析确定系统的 模型参数和物理元器件参数之间的关系方程，由实时辨识求得系统的实际模型参数，进 而由关系方程求解实际的物理元器件参数，将其与标称值比较，从而得知系统是否有故 障与故障的程度。目前研究得较为广泛的有强跟踪滤波器方法，参数估计和观测器结合 的方法等。 ( 2 ) 状态估计方法，1 9 7 1 年，b e a r d 首先提出故障诊断的检测滤波器的概念。基本思想是： 重构被控过程状态，通过与可测变量比较构成残差序列，再构造适当的模型并采用统计 6 南京航空航天大学硕士学位论文 检验法，从残差序列中将故障检测出来，并做进一步地分离、估计与决策，常见方法有 龙伯格观测器方法、自适应观测器滤波器方法、多重观测器滤波器方法和鲁棒观测器方 法等。在能够获得系统精确数学模型的情况下，状态估计方法是直接有效的，但在实际 中这一点往往很难满足。 ( 3 ) 等价空间方法，基本思想就是：利用系统的输入、输出的实际测量值检验系统数学模型 的等价性( 即一致性) ，以检测和分离故障。有基于约束优化的等价方程方法，广义残差 产生器方法，基于系统的动态输入输出模型用动态等价方程产生具有方向性残差的方法 等。 2 ) 基于信号处理的故障诊断方法 主要思想是：利用信号分析理论获得系统时域和频域中较深层次的多种特征向量，利用这 些特征向量与系统故障源之间的关系判断故障源的位置。主要用于诊断对象的解析模型难以建 立但系统的一些状态或者输出参数可以测量的系统。主要有以下方法： ( 1 ) 基于小波变换的故障诊断，这是一种新的信号处理方法，具有多分辨力分析的特点。连 续小波变换可区分信号突变和噪声，离散小波变换可检测随机信号的频率结构的突变。 主要有：利用观测信号的奇异性进行故障诊断；利用观测信号的频率结构变化进行故障 诊断。 ( 2 ) 基于信息校核的故障诊断，目前研究较多的有利用信息准则检测故障的方法和利用自适 应滑动窗格型滤波器检测故障的方法。 ( 3 ) 基于信号模态估计的故障诊断，这种方法先根据被诊断系统的闭环特征方程找到对应每 一个物理参数变化的根轨迹集合，再任取一个闭环信号，用最小二乘法估计系统的模态 参数，最后采用模式识别技术将估计出的模态参数与某一物理参数变化的根轨迹集合匹 配以达到诊断出故障的目的。 3 ) 基于知识的故障诊断方法 主要思想是：在知识的层次上，以知识处理技术为基础，实现辩证逻辑与数理逻辑的集成， 符号处理与数值处理的统一，推理过程与算法过程的统一，通过在概念和处理方法上的知识化 实现系统的故障诊断。它不需要系统的定量数学模型，也更适合于非线性系统领域。包括以下 方法： ( 1 ) 基于专家系统的方法，根据知识库提供的知识、规则库提供的规则和推理机提供的推理 机制进行故障诊断。 ( 2 ) 基于模糊的方法，是利用集合论中的隶属度函数和模糊关系矩阵的概念来解决故障与征 兆之间的不确定关系。具体的应用形式有：基于模糊模型的故障诊断方法、基于自适应 模糊阈值的残差评价方法、基于模糊聚类的残差评价方法、基于模糊逻辑的残差评价方 法和基于模糊模式识别的故障诊断方法。 7 网络化控制系统的容错控制及网络平台建设 ( 3 ) 基于人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s - a n n ) 具有的方法，在非线性系统的故障诊 断方面有很大的优势。应用方式有：用a n n 产生残差的方式，用a n n 评价残差的方 式，用a n n 作一步诊断，用a n n 作自适应误差补偿的方式。 ( 4 ) 基于故障树的方法，故障树是表示系统特定事件与它的各个子系统或各个元部件故障之 间逻辑关系的逻辑结构图。它是一种倒树状结构，以系统最不希望事件为顶事件，以可 以导致顶事件发生的其他事件为中间事件和底事件，并用逻辑门表示事件之间的联系。 ( 5 ) 基于定性模型的方法，主要有两种手段，其一是定性仿真，定性仿真方法首先使用一组 表示系统物理参数的定性变量和一组表示各参数间相互关系的定性微分方程构成定性 模型，然后将系统的结构描述为状态转化图，以确定从给定的初始状态出发得到的当前 系统状态。其二是知识观测器，在基于知识的方法中的知识观测器类似于基于数学模型 方法中的状态滤波器和卡尔曼滤波器。 1 3 2 控制系统容错控制技术 容错控铝1 ( f a u l t _ t o l e r a n tc o n t r o lf r c ) 通过对动态系统故障的检测及估计可以及时的对故障 进行报警，给出故障发生的位置以及大小，因此上一节中的故障诊断技术是进行容错控制的基 础。容错控制则可以使得系统在执行器、传感器或元部件发生故障时，闭环控制系统仍然是稳 定的，并仍然具有较理想的特性。p a t t o n 教授1 9 9 7 年的著名综述指出容错控制可以分为主动容 错控制和被动容错控制两大类。 1 ) 被动容错控制 使用反馈控制律使得系统对可能出现的故障具有鲁棒性。由于在故障发生前后使用的控制 器是同一个而不进行调节