基于事件触发机制的网络化线性参数变化系统故障检测研究

With the rapid development of sensing, information processing, and communication technologies, networked control systems (NCSs) have been widely applied in many areas. Meanwhile, the research on fault detection for NCSs has attracted considerable attention in recent years, and the existing research has mainly concentrated on the fault detection problem for networked time-invariant systems with a periodic time-triggered communication scheme. In this project, we will investigate the fault detection problem for networked linear parameter-varying systems with an event-triggered communication scheme, where the channel fading and saturation nonlinearities are taken into consideration simultaneously. For this purpose, a linear parameter-varying system model which fuses the communication parameters is firstly constructed after a proper event-triggered communication scheme is chosen. Then, based on the model, the sufficient conditions for the existence of the desired fault detection filter are derived, and the corresponding filter parameters and the trigger parameters are co-designed according to the conditions. Finally, the quantitative relations among the communication parameters, saturation levels and the optimal fault detection performance are established, which is useful to reveal the interaction with one another. The project aims to search for the communication-parameter-fused design method of the fault detection filter in a non-ideal network environment, which is of theoretical significant for the construction of the fault-alarm mechanism for complex industrial systems.

随着传感、信号处理以及通信技术的快速发展，网络化控制系统在许多领域得到了广泛应用，近年来针对其故障检测的研究引起了学术界的极大关注。目前已有的研究主要集中于周期的时间触发通信方案下网络化定常系统的故障检测问题。在本项目中，我们将综合考虑信道衰落及系统自身的饱和非线性约束，研究基于事件触发机制的网络化线性参数变化系统的故障检测问题。为此，首先选择恰当的事件触发通信方案，建立融合通信参量的线性参数变化系统模型；然后根据此模型寻找故障检测滤波器的存在性条件，并基于此条件，构造合适的凸优化算法，实现滤波器以及事件发生器参数的联合设计；最后建立网络通信参量、饱和非线性水平与最优故障检测性能之间的数量关系，进而揭示三者之间的相互制衡影响。本项目旨在探索非理想网络环境下融合通信参量的故障检测滤波器设计方法，它对复杂工业系统故障预警机制的建立有重要的理论指导意义。

近年来，随着通信技术的快速发展和网络化系统的广泛应用，网络化系统的控制与故障诊断问题吸引了广大学者的持续关注。网络化控制系统是一种典型的空间分布式控制系统，通信网络的引入使得众多分布在不同空间区域的功能部件能够借助网络通道传输和交换数据，这样可以减少专线敷设，降低系统的安装和维护成本。网络化控制系统的故障诊断技术对于提高系统的可靠性与安全性，降低事故发生的风险具有重要作用。该项目围绕基于事件触发机制的网络化系统的控制与故障检测展开研究，主要的研究内容和结果包括：(1)多重信道衰落情况下非线性网络化系统的鲁棒故障检测问题，在研究此问题时首选通过引入L阶的Rice衰落模型描述传感器到远程监控站之间的信道衰落状况，然后建立全阶的滤波器作为残差发生器，再过残差评估机制对系统是否发生故障作出判断，最后通过仿真结果验证方法的有效性；(2)具有随机增益不确定性网络化时滞系统非脆弱镇定问题，该问题研究的主要任务是设计非脆弱的静态输出反馈控制器，在控制器存在随机摄动的情况下仍然能够确保闭环系统均方渐近稳定，在求解控制器参数时提出了修正的锥补线性化算法，通过迭代的方法求解控制器的参数表式；(3)基于事件触发机制的网络化系统鲁棒控制，在研究此问题，考虑了系统执行器可能发生的故障，在通讯方式上采用了事件触发的通讯方式代替传统的周期触发的通讯方式，这可以减少一些“不必要”数据包的发送，节省网络资源，也可以降低控制器节点的计算负担，在保证闭环系统渐近稳定的同时减少数据的发送量；(4)网络化系统的非脆弱耗散控制，考虑传感器到控制器以及控制器到执行器通道的随机丢包，设计基于观测器的状态反馈控制器，在控制器增益存在有界摄动的情况下，闭环系统指数均方稳定且满足严格(Q,S,R)-耗散性能，最后的仿真结果验证了所设计的耗散控制器的有效性。另外，对于网络化控制系统的时延补偿和耗散滤波问题也进行了初步研究。