有时延和数据包丢失的网络控制系统故障检测

对网络控制系统故障诊断方面的研究。

第32卷第4期南京理工大学学报(自然科学版)

JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience)

Vol.32No.4有时延和数据包丢失的网络控制系统故障检测

黄　鹤,韩笑冬,王执铨

(南京理工大学自动化学院,江苏南京210094)

摘　要:(NCS)器的故障检测问题。。对于已知的数据包丢失率,,()分条件,。通过计算实际系统和故障观的故障检测。仿真算例验证了所提出方法的有效性。关键词;网络诱导时延;数据包丢失;故障检测中图分类号:TP273　　文章编号:1005-9830(2008)04-0387-06

FaultDetectionofNetworkedControlSystemswithTime2delayand

DataPacketDropout

HUANGHe,HANXiao2dong,WANGZhi2quan

(SchoolofAutomation,NUST,Nanjing210094,China)

Abstract:Withthepresenceoftime2delayandpacketdropouteffects,theproblemofobserver2basedfaultdetectionforaclassofnetworkedcontrolsystems(NCS)isaddressed.Anaugmentedmodeliscon2structedforakindofNCSwithnetwork2introduceddelaylargerthanonesamplingperiod.Basedonthefixedrateofpacketdropout,thefaultobserversoftheNCSaredesignedinbothcasesofpacketdropoutandsuccessfultransmissionrespectively.Theobserver2basedestimationerrorsystemforfaultdetectioncanbeviewedasanasynchronousdynamicalsystem(ADS)withrateconstraintsontwoevents.BasedontheADStheory,thesufficientconditionofexponentialstabilityforthesystemispresented,andthefaultobserverdesignmethodbasedon

matrixinequalitiestheoryisalsoprovided.Bycomputingthere2sidualbetweentheoutputofthepracticalsystemandthefaultobserver,thefaultofNCScanbedetec2ted.Thenumericalexamplevalidatesthemethod.

Keywords:networkedcontrolsystems;network2introduceddelay;packetdropout;faultdetection

　　网络控制系统(Networkedcontrolsystems,NCS)指以实时网络作为信息传输通道的闭环控制

系统。这种计算机技术、通信技术与控制技术发展和融合的产物已成为国内外研究的热点。NCS具

　收稿日期:2007-10-24　　修回日期:2008-4-15　基金项目:国家自然科学基金(60574082)　作者简介:黄鹤(1981-),男,江苏南京人,博士生,主要研究方向:网络控制系统的故障诊断及容错控制,E2mail:

hh.huanghe@http://;通讯作者:王执铨(1939-),男,湖北武汉人,教授,博士生导师,主要研究方向:混沌控制理论及应用、动态大系统,E2mail:wangzqwhz@http://。

对网络控制系统故障诊断方面的研究。

3　88南京理工大学学报(自然科学版)第32卷第4期

有布线简单、结构灵活、易于系统扩展和维护以及

[1,2]

能够实现信息资源共享等优点,同时由于通信网络的引入,数据传输的不确定性、网络诱导时延和数据包丢失等问题都使得控制系统的性能下降甚至不稳定,并使得网络环境下系统故障比一般控制系统更为复杂,更难以分离和辨识。

针对NCS的这些特点国内外学者进行了相应的研究,已有较多的成果问世,主要集中在时延、丢包等网络环境约束下的NCS建模、分析、控制以及信息调度方面。其中分别从网络时延和数据包丢失角度研究NCS稳定性或动态性能的文献较多,但对于实际网络中两者并存情况下的研究相对较少。文献[3]程(DDE),[4[]动态系统dynamicalsystem,ADS)建立了NCS模型,讨论了短时延(时延小于采样周期)与丢包情况下系统稳定的充要条件。另一方面,出于对系统安全性、可靠性的考虑,NCS的故障检测及故障诊断问题吸引了越来越多的学者注意。其中,文献[6]分别针对基于信息调度模型、基于时延模型和基于模糊模型的NCS故障诊断方法做了总结。文献[7]研究了随机时延情况下基于观测器的NCS故障诊断方法,文献[8]考虑了丢包现象忽略了网络和控制时延,构造了基于观测器的残差产生器,实现了丢包情况下NCS的故障诊断。目前对于时延和丢包同时存在情况下的NCS故障诊断问题的研究在国内外文献中所见不多。

本文借鉴了基于ADS的NCS分析方法,在具有数据包丢失以及时延大于一个采样周期情况下讨论了NCS的故障检测问题。对于给定的数据包丢失率,针对丢包发生与数据传输成功的情况分别设计了NCS故障观测器,将观测器误差系统建模为具有两个事件速率约束的ADS,完成了时延与丢包情况下的一类NCS的故障检测。

控制器与执行器间网络视为开关Kca,传感器与控制器间网络视为开关Ksc,四事件分别对应S1S2、 S S1S 但是考虑到当传感器节点数据1S2、2以及S1S2。

包丢失时,控制器节点不会主动向网络发送新数据。因此数据包丢失时的事件可以简化等效为一个事件,此时系统可等效于具有事件1(未发生丢包)和

[10]

事件2(发生丢包)的两事件ADS,如图2

所示。

连续时间被控对象可以描述为(t)=Apx(t)+Bpu(t)+Bff(t)x

y(t)=Cpx(t)

n

n

n

(1)

式中:x∈R,u∈R,y∈R分别为系统状态,控制输入和测量输出向量,f(t)为执行器结构参数故障或输出故障函数,Ap、Bp、Bf和Cp分别为适维已知矩阵。

对该系统做如下假设:(1)控制器和执行器由事件驱动,即接收到数据立即进行相应的操作。检测传感器为时间驱动,以固定周期h(h>0)采样对象的状态。(2)整个闭环回路的网络诱导时延记为tk,且tk>h。(3)网络控制系统的各节点具有固定的优先级,各节点传输时,数据包单包传输,且无时序错乱。数据包丢失率一定。

在上述合理假设前提下,系统时延总和可以[11]

表示为

　tk=(d-1)h+h/2+Δt≤d h

式中:0≤h/2+Δt≤h,h/2代表了固定的平均时延,

Δt≤h/2代表了不确定时 …… 此处隐藏：7199字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……