无线网络化控制系统的分布式故障诊断与容错控制

With the development of communication and embedded computation technologies, networked fault diagnosis (FD) and fault tolerant control (FTC) has become one of the new techniques for the production safety in industries. However, problems such as centralized computation and processing of controller, complex wiring still exist in the conventional FD and FTC systems. Moreover, FD and FTC systems are always designed separately, which disconnects their mutual relations. Thus, the desired control performance may not be guaranteed. This project investigates the distributed FD and FTC under wireless communication, problems under consideration includes the design of distributed FD systems with node energy and network bandwidth constraints and also the design of fault tolerant controllers based on the FD information. The project aims to present a new modelling, analysis and design method of the distributed active FTC system. Finally, we show the effectiveness of the proposed design via the networked liquid control platform. The main results in the project may provide some new research directions and solutions for the production safety, and also enrich the existing results on the networked control systems.

随着网络通信技术和嵌入式计算技术的不断成熟与完善，工业控制系统的网络化故障诊断与容错控制已成为促进工业生产安全化的新技术之一。然而，现有网络化控制系统的故障诊断与容错控制器集中计算、信息处理功能没有完全分散和布线复杂等缺点仍然存在。此外，故障诊断和容错控制系统设计相互分离，割裂了彼此的有机联系，无法获得满意的控制性能。本项目研究基于无线通信的分布式故障诊断与容错控制问题，研究内容包括存在节点能量和网络带宽这两种约束的分布式故障诊断以及基于诊断信息的控制器调节。旨在提出一套面向无线网络的分布式主动容错控制系统综合建模、分析与设计方法。最后，通过液位控制系统实验平台验证理论算法的有效性。本项目的研究结果可望为工业生产的安全性问题开辟一些新的研究思路和解决方案，丰富现有网络化控制领域的相关研究结果。

本项目主要围绕无线网络化控制系统的分布式故障诊断与容错控制问题开展研究工作。首先，采用切换系统处理方法，提出了基于量测信息降维的网络化控制系统分析与设计结果，给出了量测信息选择策略与估计器/控制器之间的协同设计方法，进一步得到了存在执行器故障的容错控制结果。其次，解决了基于非均匀采样的网络化控制系统分析与设计问题。建立了采样周期切换规则和控制性能之间的定量关系，并给出了相应的协同设计结果。这可进一步降低无线节点的能耗。第三，针对控制系统的未知故障，提出了基于领域通信策略的分布式检测观测器设计结果，所设计的观测器不仅能检测出节点自身的异常数据，同时也能检测出邻居节点的异常故障。所设计的分布式诊断观测器大大降低了传统集中式设计方法的计算量。最后，针对大规模的网络化控制系统，也得到了存在执行器故障的鲁棒容错控制结果和基于检测信息的主动容错控制设计结果。相关成果对于降低无线网络化控制系统的能耗和提升控制系统的可靠性具有非常重要的意义。在本项目的研究过程中，共出版英文专著1部，发表期刊论文23篇，会议论文4篇。其中国际SCI源期刊论文22篇，包括IEEE系列期刊论文11篇。并且所发表的期刊论文中有两篇为热点论文。申请发明专利6项，其中已授权4项。联合培养硕士研究生4名，博士研究生2名。