互联系统微小故障诊断与容错控制及应用研究

Built on the background about fault diagnosis and fault-tolerant control problem for traction systems of high-speed trains, this project studies the incipient fault diagnosis and fault-tolerant control for a class of nonlinear interconnected systems with strong uncertainties. This project aims to deeply combine interval estimation techniques, sliding mode techniques, nonlinear optimization theories, differential inclusion theories, nonlinear optimal control theories and fault diagnosis and fault-tolerant control to establish novel incipient fault diagnosis and fault-tolerant control schemes for a class of nonlinear interconnected systems..All traction devices of the traction systems with various faults are systematically researched. Then, by combining the established incipient fault diagnosis and fault-tolerant control schemes for nonlinear interconnected systems with the dynamic models and the properties of physical and network connections among these traction devices, a novel incipient fault diagnosis and fault-tolerant control scheme is established for traction systems of high-speed trains as well as its semi-physical simulation platform. This makes the project be meaningful in both academic and practical aspects.

本项目以高速列车牵引系统的故障诊断和容错控制问题为背景，研究一类具有强不确定性的非线性互联系统微小故障诊断和容错控制。着力于将区间观测器技术、滑模变结构技术、非线性优化理论、微分包含系统理论、非线性最优控制理论及故障诊断与容错控制技术深入结合，提出一套新颖的非线性互联系统微小故障诊断方法和容错控制理论。.系统研究高速列车牵引系统各个设备的各类故障，将所提出的互联系统微小故障诊断和容错控制理论和方法与各个牵引设备动态模型特性及其物理和网络连接特性相结合，进而建立一套高速列车牵引系统微小故障诊断和容错控制框架，并研制半物理仿真平台，使得研究具有重要的学术价值和实际意义。

本研究以高速列车牵引控制系统安全性为背景，提炼出非线性物理网络系统安全性的学术问题。针对非线性物理网络系统可能受到物理故障和恶意网络隐身攻击的威胁，开展了威胁运行机理，检测，威胁种类辨识以及容错控制的研究。揭示了非线性物理网络系统隐身完整性攻击的实施和运行机理，建立了隐身完整性攻击实施的“中断资源条件”以及隐身攻击对系统影响的“增量描述”。进而首次提出了“时间回溯检测方法”通过重构攻击发生时刻之前的状态虚拟值的策略在线检测隐形攻击。首次发现了物理故障和隐身完整性攻击在信号形式方面的区别，基于与自适应估计集成的专门设计的水印技术，提出了一种威胁识别方法，在线辨别传感器重放攻击和传感器偏差故障。首次提出了一种“传感器加性切换水印”方法，在线检测并辨识完全隐身的完整性攻击和一般物理故障。提出了一种滑模容错控制器设计方法，解决执行器非匹配故障容错控制问题。..在该基金的资助下，我们发表了SCI检索论文7篇，国际会议论文2篇，项目负责人获得中国自动化学会优秀博士论文荣誉,并获得欧洲玛丽居里博士后项目资助。