基于故障诊断信息的互联系统分布式事件触发容错控制

On the basis of the fault diagnosis information obtained by the interval observers, this project investigates the distributed event-triggered fault-tolerant control (FTC) method for a class of interconnected linear systems with external disturbances，subsystem and communication faults. The main purpose of this research is to reduce the communication burden while retaining satisfactory FTC performance. Firstly, based on the interval observers, the faults can be detected and isolated and the unmeasurable states and faults can be estimated after the bounds of the unknown interconnections are approximated by using the neural networks. At the same time, the distributed event-triggering mechanisms will be introduced for the weight update, the signals transmission between sensor and observer and information interaction among the subsystems. Subsequently, more attention will be paid on the problem of distributed event-triggering mechanisms and fault-tolerant controllers co-design for interconnected systems involving the measurable/unmeasurable states and/or signal quantization. An adaptive event parameter update algorithm will be developed based on fault estimation interval, furthermore, the quantitative relationship among the quantization density, the utilization efficiency of communication resources and the FTC performance will be established. Finally, the proposed distributed event-triggered FTC method will be implemented on the relevant semi-physical simulation platforms to evaluate the effectiveness. This research plays an important role in the development of FTC theory for interconnected systems with limited communication resources.

本项目针对存在子系统故障、通信故障及外部扰动的线性互联系统，研究基于区间观测器故障诊断信息的分布式事件触发容错控制方法。在保证容错性能的前提下，降低通信负担。首先，利用神经网络逼近未知互联项的界，在此基础上设计区间观测器，用以产生故障检测与隔离信号、不可测状态及故障估计信息。同时，构建神经网络权重更新、传感器与区间观测器间以及各个子系统间信息传输的分布式事件触发机制。分别在状态完全可测、不完全可测及存在信号量化情况下研究分布式事件触发机制与容错控制器的协同设计问题。给出故障估计区间依赖的分布式事件触发参数自适应更新算法，并建立量化密度与容错能力及通信资源利用率之间的定量关系。最后，将所提分布式事件触发容错控制方法在半实物平台上进行仿真，以验证其有效性。本项目的开展对于通信资源受限的互联系统容错控制理论的研究具有重要意义。

本项目研究受外部扰动，模型不确定性及故障影响的复杂动态系统的故障诊断及控制问题。首先，针对存在执行器故障的不确定系统，在多模框架下提出了新颖的滑模切换观测器，建立了寻找最小残差评价函数的故障隔离策略。考虑到实际系统的固有非线性特性，本项目针对非线性系统的故障诊断问题展开了研究。一方面，将具有不确定参数的非线性系统建模成隶属度函数未知的T-S模糊系统，构造了切换观测器以实现执行器故障的检测与定位。另一方面，针对一类不确定非线性系统，在递归框架下构造了具有预设输出估计误差的非线性观测器，通过引入预设输出估计误差精度依赖的非负函数设计了用以检测故障的紧阈值。当非线性函数未知时，利用神经网络逼近非线性函数的能力设计了事件触发故障检测观测器。在所提机制下，神经网络权重更新及系统输出信息的传输都是非周期的。保证了检测性能的同时，降低了计算及通信负担。此外，本项目针对互联大系统的输出反馈控制问题展开研究。在互联项未知的情况下，提出了基于区间观测器的输出反馈控制策略。结合环路小增益条件和区间特性，将针对原系统设计状态反馈控制器转化为针对区间观测器系统设计输出反馈控制器。进一步，考虑到系统可能会遭受到攻击者的恶意攻击，针对异步拒绝服务攻击下信息物理系统的控制问题进行研究。提出了动态事件触发弹性控制策略，不但使系统能在遭受到攻击情况下保持稳定性能，而且能节约通信及计算资源。该项目的研究对于提高复杂动态系统的安全可靠性具有重要意义。