乘性噪声干扰下网络化闭环控制系统的故障检测

Fault detection for the information control system of high-speed trains is an important technique which guarantees the safe operation of trains. The traditional fault detection methods are conservative, since there exist closed-loop structures with multiple loops and multiple layers among devices and different types of noises during the train operation. From the viewpoint of such a fact, this proposal proposes the problem of fault detection for networked closed-loop control systems with multiplicative noises. Firstly, considering the effect of different types of multiplicative noises on networked systems, the suitable state estimation algorithms are designed and the quantitative analysis is made to discuss the stability and robustness of the algorithms. Then, considering the impact of feedback control on residual signal, some existing approaches on fault detection are improved, and the fault detection for networked closed-loop systems with multiplicative noises is realized. Moreover, some novel methods for residual generation and evaluation are designed for distributed networked systems, and the distributed fault detection is investigated for networked systems with multiplicative noises. Finally, the derived theoretic results are verified on the experimental platform for braking control systems of high-speed trains. This proposal will greatly enrich the existing research, and bring some new ideas and new methods for the study of the closed-loop fault detection. Therefore, the results obtained have high theoretical sense and wide application prospects.

高速列车信息控制系统的故障检测是保证列车安全运行的重要技术，由于列车运行时各设备间存在多回路多层次的闭环结构并且通过网络进行通信，可能受到多种噪声的干扰，传统的故障检测方法具有较大的局限性。本项目以此为背景，提炼出乘性噪声干扰下网络化闭环控制系统的故障检测这一科学问题。首先，考虑不同类型乘性噪声对网络化系统的影响，设计合理的状态估计算法并定量分析算法的稳定性与鲁棒性。然后，充分考虑反馈控制对残差信号的影响，改进现有的故障检测方法，实现乘性噪声干扰下网络化闭环系统的故障检测。进而，针对分布式网络化系统设计新的残差生成方法与评价标准，解决其在乘性噪声干扰下的分布式故障检测问题。最后，将所得到的理论成果在高速列车制动控制系统实验平台上进行验证。本项目将致力于丰富、拓展现有的研究成果，力图为闭环故障检测研究提供新思路与新方法，其研究成果具有重要的理论意义和广泛的应用前景。

本项目主要研究了乘性噪声干扰下网络化闭环控制系统的故障检测。首先研究了网络化随机系统的滤波问题，包括事件触发机制下非线性系统的多项式滤波、具有通信协议的非线性传感器网络系统的分布式无迹Kalman滤波等；然后研究了复杂系统的间歇故障检测与分离问题，包括具有时滞的离散线性随机系统的间歇故障检测、基于传感器网络的线性随机系统的间歇故障检测与分离等；最后研究了分布式网络化随机系统的故障估计与分离问题，包括具有部分解耦扰动和扇区有界非线性的时滞复杂网络的分布式故障估计与分离、通信协议下基于传感器网络的非线性时变系统的分布式弹性滤波、具有传感器故障和部分解耦干扰的时变多智能体系统的分布式故障估计与分离。相关成果为网络化随机系统的故障诊断研究提供了新思路与新方法。.在国家自然科学基金(No. 61773400)的支持下，课题组按照计划书中既定的研究内容开展研究，完成了计划的研究目标。在国内外重要学术期刊和国际学术会议上发表论文29篇，包括：SCI收录论文18篇（其中IEEE汇刊3篇），EI期刊论文6篇，EI会议论文5篇（均标注本基金资助）；以第一完成人授权国家发明专利5项；以第一完成人获得2019年青岛市自然科学奖1项；在本项目的基础上，申请人先后获批了2021年山东省自然科学基金优秀青年基金项目（主持），2021年国家自然科学基金重点项目（参与，主持一项子课题），2022年国家自然科学基金面上项目（主持）；线上参加了2020年IFAC世界大会，参加了第38届和第40届中国控制会议，并分别在会上宣读了论文。培养博士研究生3名，培养硕士研究生4名，所指导研究生获得省级优秀硕士学位论文1篇，山东省研究生优秀成果奖1项，校级优秀硕士学位论文1篇。超额完成了项目的预期成果。