一种具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法技术方案

本发明专利技术属于网络控制技术领域，公开了一种具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法，利用两个独立的Markov链分别描述传感器至控制器及控制器至执行器的网络时延,采用两个服从伯努利分布的随机变量分别描述传感器至控制器及控制器至执行器之间的丢包现象；构造了故障检测滤波器并建立了闭环系统模型；以矩阵不等式的形式给出了控制器和故障检测滤波器增益矩阵存在的充分条件和求解方法,得到了数据包传输成功概率和系统扰动抑制能力之间的关系，实现了控制器和故障滤波器的协同设计。

A H_ Fault Detection Method for Networked Control Systems with Delay and Packet Loss

The invention belongs to the field of network control technology, and discloses an H_ fault detection method for networked control systems with time delay and packet loss. Two independent Markov chains are used to describe the network delay of sensors to controllers and controllers to actuators respectively, and two random variables obeying Bernoulli distribution are used to describe the network delay between sensors to controllers and controllers to actuators respectively. In the form of matrix inequality, sufficient conditions for the existence of the gain matrix of the controller and the fault detection filter are given, and the relationship between the probability of successful data transmission and the ability of system disturbance suppression is obtained. The cooperative design of the controller and the fault detection filter is realized.

【技术实现步骤摘要】
一种具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法
本专利技术属于网络控制
，尤其涉及一种具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法。
技术介绍
网络控制系统具有成本低、易扩展及维护等等优点，被广泛应用于航空航天、远程医疗等领域。但是网络的引入不可避免地产生时延、数据包丢失等现象，从而使得控制系统的性能下降甚至导致系统不稳定，并使得系统故障比传统点对点控制系统更为复杂而难以检测和分离。网络控制系统的故障检测得到了广泛的关注并取得了大量的分析成果。一个典型的网络控制系统，网络存在于传感器和控制器之间及控制器至执行器之间，并且这两段网络均存在时延和丢包。然而，现有文献大多只考虑了时延或者丢包，或仅考虑一段网络的时延和丢包。现有关于网络控制系统故障检测的分析成果可分成如下三类：第一类仅考虑网络时延，第二类仅考虑数据包丢失，第三类只考虑传感器至控制器或控制器至执行器的时延和数据包丢失。目前针对网络控制系统故障检测的方法还不完善，关于同时具有传感器至控制器时延、丢包及控制器至执行器时延、丢包的网络控制系统的故障检测还需要进一步分析。现有技术存在的问题是：(1)缺少同时包含传感器至控制器时延、丢包及控制器至执行器时延、丢包在内的网络控制系统综合数学模型描述；(2)缺少同时包含传感器至控制器时延、丢包及控制器至执行器时延、丢包的在内的控制器及故障检测滤波器协同设计方法；(3)缺乏数据包丢失概率和系统H∞干扰抑制水平之间的定量描述。解决上述技术问题的意义：得到同时包含传感器至控制器时延、丢包及控制器至执行器时延、丢包在内的网络控制系统综合数学模型对于完善网络控制理论具有重要的理论意义，同时得到网络控制系统控制器及故障检测滤波器协同设计方法并加以实践能够灵敏地检测到基于网络的工业系统中存在的故障，对于减小因故障产生的损失及提高产品质量有重要的实际意义。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法。本专利技术是这样实现的，一种具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法，包括：步骤一，利用两个独立的Markov链分别描述传感器至控制器及控制器至执行器的网络时延,采用两个服从伯努利分布的随机变量分别描述传感器至控制器及控制器至执行器之间的丢包现象，构造故障检测滤波器并建立闭环系统模型；步骤二，得到闭环系统随机稳定的充分条件；步骤三，以矩阵不等式的形式给出控制器和故障检测滤波器增益矩阵存在的充分条件和求解方法,得到数据包传输成功概率和系统扰动抑制能力之间的关系。进一步，在步骤一中，μk及dk分别表示网络引起的传感器至控制器时延及控制器至执行器时延，分别在有限集合Υ＝{0,…,μ}，Θ＝{0，…，d}中取值，转移概率矩阵分别为G＝[λij]，H＝[πrs]，λij和πrs如下：λij＝Prob{μk+1＝j|μk＝i}，πrs＝Prob{dk+1＝s|dk＝r}式中λij≥0，取值为{0,1}的随机变量αk,βk分别表示传感器至控制器及控制器至执行器之间的数据包丢失，当随机变量取值为1，表示数据包传输成功；反之则表示数据包传输失败，满足如下特性：Prob{αk＝1}＝E{αk}＝a,Prob{αk＝0}＝1-a,Var{αk}＝E{(αk-a)2}＝(1-a)a＝b2,Prob{βk＝1}＝E{βk}＝c,Prob{βk＝0}＝1-c,Var{βk}＝E{(βk-c)2}＝(1-c)c＝e2,其中Prob{·}、E{·}及Var{·}分别为概率、期望、方差，a，b，e为正实数；网络控制系统状态方程如下：其中xk∈Rw是系统状态向量，是系统控制输入向量，yk∈Rg是系统量测输出向量，fk∈Rp是系统故障信号，dk∈Rq是有限能量的外部干扰信号Ap，Bp，Bd，Bf，Cf是适当维数的定常矩阵；在控制器端构造故障检测滤波器：其中是滤波器状态向量，是滤波器输出向量，rk∈Rq是残差向量，V是残差增益矩阵，L是待定的残差增益矩阵；滤波器接收到的系统输出及作用在被控对象上的控制输入可以分别表示为：采用如下的反馈控制律：分别定义如下的状态估计误差及残差误差：rek＝rk-fk定义增广向量得闭环系统方程为：其中C＝[0-Cp],I1＝I-I∈Rn×2n,I3＝0I∈Rq×(p+q)；当ωk＝0，对于系统任意初始状态η0及时延初始模态μ0∈Υ,d0∈Θ，若存在正定矩阵Q使得成立，闭环系统随机稳定；针对具有时延的数据包丢失的网络控制系统，设计滤波器和反馈控制律使：1)当wk＝0时闭环系统随机稳定；2)在系统零初始条件下系统满足如下的H∞性能：分别选择残差评价函数Jk和阈值Jth如下：其中l0为初始评价时刻，L0为评价函数最大步长；通过对比Jk及Jth检测出是否有故障发生：在步骤二中，闭环系统随机稳定的条件由如下定理给出：定理1当ωk＝0，若存在矩阵K，L，及正定矩阵Pi,r＞0，Pj,s＞0，S1＞0,S2＞0使得其中对于所有的i,j∈Υ,r,s∈Θ均成立，那么闭环系统是随机稳定的。在步骤三中，控制器、滤波器增益矩阵的求解方法包括：步骤(1)给定H∞性能指标Υ＝Υ0并设置最大迭代次数N；步骤(2)求解其中Γ44＝diag{M0,0,…-Mμ,d},Γ52＝[00-I3],Λ＝S1+S2+(1+μ)S3+(1+d)S4-Z1-Z2-Pi,r,Pi,r，Pj,s，Mj,s，S1，S2，Z1，Z2，Y1，Y2均为正定矩阵；得到一组可行解令k＝0；步骤(3)求解如下非线性最小化问题:受约束于：令步骤(4)检查Pj,sMj,s＝I,ZlYl＝I,l∈{1,2}是否满足：如果满足则令Υ＝Υ-σ，σ为一正整数，令k＝k+1，转到步骤(3)；如果迭代次数超过N则终止迭代；步骤(5)迭代终止后检查的Υ值：如果Υ＝Υ0，则此优化问题在设置的迭代次数内无解；否则Υmin＝Υ+σ。本专利技术的另一目的在于提供一种实现所述具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法的计算机程序。本专利技术的另一目的在于提供一种实现所述具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法的信息数据处理终端。本专利技术的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法。本专利技术的另一目的在于提供一种搭载所述具有时延和数据包丢失的网络控制系统的网络平台。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术针对具有传感器至控制器时延、丢包及控制器至执行器时延、丢包的网络控制系统，分析了H∞故障检测问题。首先,利用两个独立的Markov链分别描述传感器至控制器及控制器至执行器的网络时延,采用两个服从伯努利分布的随机变量分别描述传感器至控制器及控制器至执行器之间的丢包现象。然后在此基础上构造了基于观测器的故障检测滤波器并建立了闭环系统模型.然后,通过构造Lyapunov-krasovskii泛函，以矩阵不等式的形式给出了控制器和故障检测滤波器增益矩阵存在的充分条件和求解方法,得到了数据包传输成功概率和系统扰动抑制能力之间的关系。最后实例仿真验证了所提方法的有效性。附图说明图1是本专利技术实施例提供的具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法，其特征在于，所述具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法包括：第一步，利用两个独立的Markov链分别描述传感器至控制器及控制器至执行器的网络时延,采用两个服从伯努利分布的随机变量分别描述传感器至控制器及控制器至执行器之间的丢包现象，构造故障检测滤波器并建立闭环系统模型；第二步，以矩阵不等式的形式给闭环系统随机稳定的充分条件；第三步，给出控制器和故障检测滤波器增益矩阵的求解方法,得到数据包传输成功概率和系统扰动抑制能力之间的关系。

【技术特征摘要】
1.一种具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法，其特征在于，所述具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法包括：第一步，利用两个独立的Markov链分别描述传感器至控制器及控制器至执行器的网络时延,采用两个服从伯努利分布的随机变量分别描述传感器至控制器及控制器至执行器之间的丢包现象，构造故障检测滤波器并建立闭环系统模型；第二步，以矩阵不等式的形式给闭环系统随机稳定的充分条件；第三步，给出控制器和故障检测滤波器增益矩阵的求解方法,得到数据包传输成功概率和系统扰动抑制能力之间的关系。2.如权利要求1所述的具有时延和数据包丢失的网络控制系统H∞故障检测方法，其特征在于，第一步中，μk及dk分别表示网络引起的传感器至控制器时延及控制器至执行器时延，分别在有限集合γ＝{0,…,μ}，Θ＝{0,…,d}中取值，转移概率矩阵分别为G＝[λij]，H＝[πrs]，λij和πrs如下：λij＝Prob{μk+1＝j|μk＝i},πrs＝Prob{dk+1＝s|dk＝r}式中λij≥0，πrs≥0取值为{0,1}的随机变量αk,βk分别表示传感器至控制器及控制器至执行器之间的数据包丢失，当随机变量取值为1，表示数据包传输成功；反之则表示数据包传输失败，满足如下特性：Prob{αk＝1}＝E{αk}＝a,Prob{αk＝0}＝1-a,Var{αk}＝E{(αk-a)2}＝(1-a)a＝b2,Prob{βk＝1}＝E{βk}＝c,Prob{βk＝0}＝1-c,Var{βk}＝E{(βk-c)2}＝(1-c)c＝e2,其中Prob{·}、E{·}及Var{·}分别为概率、期望、方差，a，b，e为正实数；网络控制系统状态方程如下：其中xk∈Rw是系统状态向量，是系统控制输入向量，yk∈Rg是系统量测输出向量，fk∈Rp是系统故障信号，dk∈Rq是有限能量的外部干扰信号Ap，Bp，Bd，Bf，Cf是适当维数的定常矩阵；在控制器端构造故障检测滤波器：其中是滤波器状态向量，是滤波器输出向量，rk∈Rq是残差向...

【专利技术属性】
技术研发人员：王燕锋，
申请(专利权)人：湖州师范学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33