基于模糊模型的无线网络控制系统故障检测

考虑控制器与被控对象之间采用无线传输,且被控对象为非线性模型的一类网络控制系统,对其进行故障检测。首先基于T-S模糊模型将对象线性化,利用模糊主导子系统规则,设计了模糊观测器,并得出了观测器误差方程。然后将误差方程等效为与无线传输跳数相关的离散切换系统,并证明了误差系统的稳定性。最后,通过仿真实例验证了所提方法的有效性。     

Fault detection based on H∞ states observer for networked control systems

The influence of random short time-delay to networked control systems (NCS) is changed into an unknown bounded uncertain part. Without changing the structure of the system, an H∞ states observer is designed for NCS with short time-delay. Based on the designed states observer, a robust fault detection approach is proposed for NCS. In addition, an optimization method for the selection of the detection threshold is introduced for better tradeoff between the robustness and the sensitivity. Finally, some simulation results demonstrate that the presented states observer is robust and the fault detection for NCS is effective.     

网络化控制系统的故障诊断

网络化控制系统与传统结构的控制系统相比具有许多优点,但经网络传输的控制信号所带来的随机时延、丢包、异步等问题会影响闭环控制系统的性能,因此需要发展可在网络环境工作的系统的控制理论和技术。故障诊断与容错控制对于控制工程实践特别是对安全性有严格要求的控制系统是十分重要的。近年来,我们较为系统地开展了网络化控制系统故障诊断与容错控制的研究工作从而可对故障诊断的主要研究结果进行概述。     

基于非线性自适应观测器的故障诊断

将自适应控制的思想和状态观测器方法相结合研究了一类非线性控制系统的故障诊断问题。针对一类满足Lipschitz条件的带有未知参数的非线性系统,提出了一种非线性自适应状态观测器的设计方法,并将其应用到控制系统的故障诊断中。通过设置未知故障向量的自适应调整律,保证了状态观测器的渐近稳定。数字仿真证明了该方法的有效性,系统渐近稳定,状态向量和故障向量的估计值均趋近于实际值。     

基于观测器的非线性系统直接自适应模糊控制

针对状态不可测的一类不确定非线性系统,利用模糊系统的逼近能力,提出一种基于观测器的直接自适应模糊控制方案。该方案通过引入观测量的调制函数,使得模糊系统的输入集在有界闭区域上,从而取消了观测量有界的假设。利用Kalman Yacubovitch Popov定理及李亚普诺夫函数,证明了闭环控制系统所有信号是有界的,跟踪误差收敛到零。仿真结果表明了该方法的有效性。     

非线性不确定时滞系统观测器型鲁棒无源控制

将无源性概念引入到非线性不确定时滞系统中,研究了带有时滞和不确定性的非线性系统的鲁棒无源控制问题.首先,利用多层神经网络近似代替系统中的非线性部分,采用线性微分包含(LDI)技术来线性化该非线性环节.其次,基于LDI模型,构造适当的状态观测器和反馈控制器,利用Lyapunov稳定理论,通过一定的矩阵变换,将设计问题转化为线性矩阵不等式(LMI)的可行解问题.从而使控制器的设计简单易行.接着,引入无源化的损耗指标,给出具有指定损耗指标的鲁棒无源控制器设计方法.最后以Lo-gistic混沌系统为例进行仿真试验,结果表明该设计方法的有效性.     

Constrained predictive control based on T-S fuzzy model for nonlinear systems

A constrained generalized predictive control （GPC） algorithm based on the T-S fuzzy model is presented for the nonlinear system. First, a Takagi-Sugeno （T-S） fuzzy model based on the fuzzy cluster algorithm and the orthogonalleast square method is constructed to approach the nonlinear system. Since its consequence is linear, it can divide the nonlinear system into a number of linear or nearly linear subsystems. For this T-S fuzzy model, a GPC algorithm with input constraints is presented. This strategy takes into account all the constraints of the control signal and its increment, and does not require the calculation of the Diophantine equations. So it needs only a small computer memory and the computational speed is high. The simulation results show a good performance for the nonlinear systems.     

一类不确定时延网络控制系统的故障诊断

研究了具有不确定时延的网络控制系统的故障诊断问题。通过建模将一类具有不确定时延的网络控制系统等效为具有不确定性的离散线性系统,并构建了故障观测器对系统进行故障检测。基于线性矩阵不等式(LMI)的方法,将故障诊断问题转化为系统鲁棒性的设计问题,给出并证明了解存在的条件以及观测器增益矩阵的求解方法。最后通过仿真验证了该算法的有效性。     

多变量非线性系统的有约束模糊预测解耦控制

针对多变量非线性系统提出了一种带约束输入的广义预测解耦控制算法:首先对多变量非线性系统建立T-S模糊模型,然后在每个采样点对系统进行局部动态线性化,将得到的系统线性化模型进行对角解耦,然后对其设计带输入约束的GPC算法.该算法充分考虑了控制输入及其增量受约束的情况,而且不必求Dio-phantine方程,减小了计算量,且削弱了变量之间的耦合程度.最后的仿真结果说明了该算法对多变量非线性系统的有效性.     

非线性系统的网络化控制研究

针对一类单输入-单输出仿射非线性系统的网络化控制问题,基于微分几何理论,采用精确线性化方法将非线性系统变换为线性系统;对于网络时滞小于一个采样周期且在小范围随机变化的网络控制系统,将其建模为不确定离散时滞系统,基于线性矩阵不等式设计控制器。文中给出了设计方法和步骤,通过一个仿真算例,证明了方法的正确性。     

基于等价空间的网络控制系统故障检测问题研究

研究了网络控制系统的故障检测问题。对于一类网络时延为不确定情况的网络控制系统,得到了系统的具有模型不确定性的离散时间模型。将等价空间故障检测方法中的等价向量扩展为等价矩阵的情况,进而可将残差产生器的设计问题归结为受线性矩阵不等式约束的多目标优化问题,并可应用线性矩阵不等式技术求解等价矩阵。同时还讨论了对残差评估问题。算例验证了提出方法的有效性。     

Fault detection for networked systems subject to access constraints and packet dropouts

This paper addresses the problem of fault detection(FD) for networked systems with access constraints and packet dropouts.Two independent Markov chains are used to describe the sequences of channels which are available for communication at an instant and the packet dropout process,respectively.Performance indexes H∞ and H_ are introduced to describe the robustness of residual against external disturbances and sensitivity of residual to faults,respectively.By using a mode-dependent fault detection filter(FDF) as residual generator,the addressed FD problem is converted into an auxiliary filter design problem with the above index constraints.A sufficient condition for the existence of the FDF is derived in terms of certain linear matrix inequalities(LMIs).When these LMIs are feasible,the explicit expression of the desired FDF can also be characterized.A numerical example is exploited to show the usefulness of the proposed results.     

基于模糊干扰观测器的轨迹线性化控制研究

针对一类非线性不确定系统,基于轨迹线性化控制(TLC)方法及模糊干扰观测器(FDO)技术研究了一种新的非线性控制结构。利用模糊系统具有以任意精度逼近非线性函数的能力设计FDO对未知干扰和不确定进行估计,并通过鲁棒控制项来提高系统的性能。采用Lyapunov方法,证明了跟踪误差和干扰观测误差一致最终有界。最后利用提出的控制方案针对数值算例进行了仿真验证,仿真结果表明了控制方案的有效性和鲁棒性。     

基于观测器的一类不确定非线性系统自适应输出反馈控制

针对一类不确定非线性系统,基于非线性状态观测器采用回馈递推(Backstepping)设计方法提出了一种鲁棒自适应L2增益控制方案。该控制方案首先对系统的不可观测状态设计非线性状态观测器,在此基础上通过多步递推得到系统的控制律并设计了未知干扰的参数自适应律,使系统具有L2增益性能。同时把采用常规设计方法需要对过多参数进行辨识问题简化为只需对与未知干扰个数相同的参数进行辨识的问题,简化了控制器结构。最后通过仿真算例验证了所设计控制方案的有效性。     

网络化控制系统观测器/控制器集成设计方法

针对一类网络化控制系统,提出一种输出反馈控制的新方法--观测器/控制器集成设计。该方法借助状态观测器重构系统状态,设计输出反馈控制器,将闭环系统建模为一类混杂系统。利用Lyapunov-Krasovskii泛函方法,以线性矩阵不等式（linear matrix inequality, LMI）形式给出了闭环系统的稳定性判据以及观测器/控制器的集成设计方法。仿真算例说明了所提出的方法简单、有效且易于实现。     

Impulsive controller design for nonlinear networked control systems with time delay and packet dropouts

The globally exponential stability of nonlinear impulsive networked control systems(NINCS) with time delay and packet dropouts is investigated.By applying Lyapunov function theory,sufficient conditions on the global exponential stability are derived by introducing a comparison system and estimating the corresponding Cauchy matrix.An impulsive controller is explicitly designed to achieve exponential stability and ensure state converge with a given decay rate for the system.The Lorenz oscillator system is presented as a numerical example to illustrate the theoretical results and effectiveness of the proposed controller design procedure.     

非线性时滞系统的一种新型稳定模糊控制方案

针对非线性时滞系统,基于模糊动态模型,采用分段Lyapunov函数法,设计出一种新型稳定模糊控制方案,克服了采用公共Lyapunov函数法的并行分配补偿法中需求解公共正定矩阵的困难。新方法只要求一系列正定矩阵满足一系列Lyapunov不等式即可,进一步扩大了解的存在性,减小了保守性。采用线性矩阵不等式法,避免了采用公共Lyapunov函数法中繁琐的Riccati方程求解。     

基于观测器的丢包网络控制系统控制器设计

针对网络控制系统的数据包丢失(丢包)问题,提出将网络控制系统中的丢包问题看成是被控对象输入矩阵的切换问题和控制器对象输入矩阵的分别切换问题,进而将网络控制系统看成是由矩阵切换决定的切换律未知的切换系统,将丢包等效为切换系统中子系统之间的切换。采用李雅普诺夫函数方法,对每个由矩阵形式决定的子系统设计了基于观测器的状态反馈控制器。利用线性矩阵不等式(linear matrix inequalities,LMI)的可行解给出了计算状态观测器和控制器的参数化方法。最后通过仿真算例验证了该方法的有效性。     

基于观测器的不确定非线性系统L1自适应控制

针对一类严格块反馈型不确定非线性系统,采用反步设计方法提出了一种新的基于滑模状态观测器的L1自适应控制方案。由于系统状态不完全可测,首先设计滑模观测器对系统状态进行估计,并分析观测器的收敛性,在此基础上,通过反步法得到系统的理想控制律。为了消除反步控制中的“项数膨胀”,引入非线性跟踪微分器来提取理想控制律的微分信号。为提高系统响应的瞬态性能,消除控制输入的高频振荡,引入L1自适应控制对控制律进行改进,通过理论推导证明了闭环系统的稳定性。最后通过数值仿真算例验证了所设计控制方案具有快速的收敛性、良好的跟踪性等期望性能。     

DTHMM based delay modeling and prediction for networked control systems

In the forward channel of a networked control system (NCS), by defining the network states as a hidden Markov chain and quantizing the network-induced delays to a discrete sequence distributing over a finite time interval, the relation between the network states and the network-induced delays is modelled as a discrete-time hidden Markov model (DTHMM). The expectation maximization (EM) algorithm is introduced to derive the maximumlikelihood estimation (MLE) of the parameters of the DTHMM.Based on the derived DTHMM, the Viterbi algorithm is introduced to predict the controller-to-actuator (C-A) delay during the current sampling period. The simulation experiments demonstrate the effectiveness of the modelling and predicting methods proposed.