事件触发机制下的网络控制系统主-被动混合鲁棒容错控制研究

It is very important for a control system to have good fault-tolerance capacity. At present, research on passive fault-tolerant control of NCS does more than its active ones because of its complexity. However, the single ?xed controller of passive fault-tolerant is conservative. It can't realize the fault-tolerance to the failures which are outside of the presumed set, and it is hard to achieve optimal system performance. Although the active fault-tolerant control is less conservative and better in its performance than the passive ones, the reliability and time-delay of fault diagnosis will directly influence the effect of fault-tolerance. Therefore, this project will start from the active-passive hybrid fault-tolerant control, aiming at the uncertain linear and nonlinear NCS. It is the research basis that the event-triggered closed-loop fault system model is established against the actuator failure under the event-triggered communication mechanism, using state feedback control strategy.The project has three parts: to design the controller of less conservative and low complexity for effective implementation of the hybrid fault-tolerant control; to design the integrated active fault-tolerant driven by recon?guration/reconstruction demanding information of controller; and to realize smooth switching between the different controllers based on the fault-diagnosis information. Finally, through the design of hybrid robust fault-tolerant control system, the safety work area of the NCS gets broaden, and ensure the optimal closed-loop performance under the condition of the least taken up network resources.

控制系统具有良好的容错能力是非常重要的。当前NCS容错控制研究主要集中在被动容错，主动容错因其复杂性而关注较少。然而被动容错固定的控制器是保守的，无法实现对预设之外故障的容错，也很难达到系统性能最优；虽然主动容错控制方法具有较少保守性，且性能优于被动容错，但故障诊断的可靠性与时延会直接影响容错的效果。因此，本项目拟从主-被动混合容错控制入手，针对不确定线性和非线性NCS，考虑执行器失效故障，采用状态反馈，在事件触发通信机制下，以建立事件触发闭环故障系统模型为基础，以为混合容错有效实现而进行的少保守性和低复杂度控制器设计、受控制器重组/重构需求信息驱动的完整主动容错集成设计、以及依故障诊断信息的不同控制器之间无扰切换等为主要研究内容，从而通过"事件触发"机制下不确定NCS的混合鲁棒容错控制系统设计，拓宽系统的安全工作段程，在尽可能少占用网络资源的前提下，保证NCS的安全性和最优的闭环性能。

受现代网络化控制系统(NCS)高可靠及安全性要求的驱动，本项目针对立项之初NCS容错控制成果均基于时间触发孤立设计，且主要集中在被动容错，主动容错因其复杂性而关注较少。然而被动容错固定的控制器是保守的，无法实现对预设之外故障的容错，也很难达到系统性能最优；虽然主动容错控制方法具有较少保守性，且性能优于被动容错，但故障诊断的可靠性与时延会直接影响容错的效果。.因此，项目做了如下研究工作：针对具有介质访问约束的NCS，进行控制与通信调度的协同设计；不同事件触发条件下线性/非线性NCS的鲁棒主动、被动容错控制与网络通讯间的协同设计；针对不确定线性/非线性NCS，考虑执行器任意失效故障，在不同的事件触发通信机制下，系统的故障诊断与鲁棒主-被动补偿或无冲击切换容错控制与网络通讯间的协同设计；非线性系统故障可诊断性量化评价与优化设计及主-被动混合容错控制在四旋翼无人机上的应用研究等延伸性工作；借助OPC等技术及先进控制实验室的设备，搭建了半实体NCS容错实验平台，对已取得的部分理论成果进行有效性的实验验证。.该项目通过不同事件触发机制下不确定线性/非线性NCS的混合鲁棒容错控制系统的设计，拓宽了系统的安全工作段程，在尽可能少占用网络资源的前提下，保证了NCS的安全性和最优的闭环性能。不仅为NCS的鲁棒混合容错与通信资源节约的协同设计在一定范围内奠定理论基础，而且对推动NCS容错控制的发展及提高NCS的安全可靠性都具有重要的科学意义，其成果具有广泛的工程应用前景。