网络控制系统离散事件触发通信与鲁棒容错控制协同设计研究

It is necessary to study the co-design apporach of network communication and fault-tolerant control in order to save the limited communication resources and improve the safety reliablity of networked control system(NCS). However, there are some existing problems about fault-tolerant control for NCS, which the controller is designed in isolation based on time-triggered, most controlled plants are linear, fault-tolerant performances are less satisfactory for practical applications, actuator saturation constraint is not considered and so on. In this project, introducing a discrete event-triggered communication scheme, we will address the robust interity and robust satisfactory fault-tolerant control problem with multi-objective constraints for uncertain linear or T-S fuzzy nonlinear NCS. For the study, based on delay dependent and event-triggered dependent approach and state feedback control strategy, the event-triggered closed-loop fault system model with the general failures and actuator saturation constraint will be established. By constructing appropriate Lyapunov-Krasovskii functional, and employing synthetically linear matrix inequality, cone complementary linearization algorithm and various less conservative techniques, the effective design apporaches of controller with adaptive control period and less conservatism will be given. Moreover, we will discuss the compatibility among safety, performances and utilization of communication resource. And then a good balance will be achieved between the satisfying fault-tolerant performances and the occupancy rate of communication resources. Therefore, co-design of fault-tolerant control and communication can be realized for NCS with considering Quality of Control (QoC) and Quality of Service (QoS). The project is a multidisciplinary forefront of applying basic research, which will estabilish theoretical foundation for the safety design of NCS.

为节约有限通信资源，提高NCS安全可靠性，需研究网络通信与容错控制协同设计方法。但现存NCS容错控制均基于"时间触发"孤立设计，且对象以线性为多、容错满意度不足、未考虑执行器饱和约束等。本项目拟从"离散事件触发"通信机制引入着手，针对线性和T-S模糊非线性受控对象，考虑更一般故障和执行器饱和约束，基于状态反馈，以建立事件触发闭环故障系统模型为基础，采用时滞/事件依赖方法，通过构造L-K泛涵，综合应用LMI、锥补线性化及各种减少保守性技术，研究不确定NCS鲁棒完整性及多目标约束鲁棒满意容错等控制问题，给出少保守性、自适应变控制周期的控制器设计方法，进而对系统安全度、性能及网络占用之间进行相容性研究，以求使系统容错满意度和有限通信资源节约得到优化平衡，达到兼顾QoC/QoS对NCS进行容错控制与通信协同设计的目的。 本项目属多学科交叉的应用基础研究前沿，项目实施可为NSC安全设计奠定理论基础。

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，且对象以线性为多、容错满意度不足、未考虑执行器饱和约束等问题，首先引入离散事件触发通信机制(DETCS)，分别以不确定线性和基于T-S模糊模型非线性系统为受控对象，考虑执行器更一般的故障情形和饱和约束问题，建立了事件触发闭环故障系统模型；然后，以时滞/事件依赖的方法，借助于Lyapunov稳定性理论、改进型Jensen和Wirtinger积分不等式、以及互反凸组合等技术，分别推证出了可有效节约网络通信资源的鲁棒完整性、鲁棒H∞容错、鲁棒保性能容错、广义H2/H∞容错以及具有ɑ-安全度、ɑ-安全度和H∞鲁棒容错性能、ɑ-安全度和H2/H∞鲁棒容错性能等不确定闭环故障 NCS 的鲁棒被动容错与网络通讯间的满意协同设计方法；最后，基于MATLAB软件对所得理论结果进行了单机版的有效性仿真验证，进而借助OPC等技术及先进控制实验室的设备，搭建了DETCS下NCS实验平台，在真实网络环境下对结果进行了可用性实验研究。此外，在完成项目预定计划情况下，还对DETCS下线性/非线性NCS鲁棒主动容错与网络通讯间的满意协同设计、DETCS下具有严重程度可区分的NCS在线优化调度容错、基于ESO与逆系统的非线性系统故障调节以及非线性系统故障可诊断性量化评价等问题进行了拓展性研究，相关内容还少有成果涉及。项目中DETCS不确定线性/非线性NCS鲁棒完整性及多目标约束鲁棒满意容错部分的内容，支撑省自然科学基金项目进行了结题，2015年项目累积的成果“网络化控制系统鲁棒容错控制研究与应用”获省级科技进步三等奖。. 该项目所取得的成果，从根本上解决了传统NCS容错控制被动依赖网络QoS孤立设计问题，使得NCS在兼顾QoS和QoC双重性能的同时，可协同求取通信触发权矩阵与鲁棒容错控制器增益矩阵，为不确定线性/非线性NCS鲁棒完整性、多目标主/被动满意容错的判定和相关参数的求取提供了依据和方法，为NCS安全性与通信资源节约的协同设计奠定理论基础，其成果具有广泛的工程应用前景。