一种存在部分解耦扰动的网络化系统容错控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种存在部分解耦扰动的网络化系统容错控制方法，属于网络化系统领域；首先，通过模型转换将原系统化为一个与之等价的状态增广系统；然后在考虑测量数据发生随机丢失的情况下，构造未知输入观测器实现对系统状态与故障的联合估计，再基于状态和故障的在线估计值，设计基于信号补偿的容错控制律实现对原系统的主动容错控制。在该容错控制算法中，观测器与控制器增益的存在性条件均可利用Lyapunov稳定性理论对误差系统进行随机分析得到，相应的估计器和控制器参数可通过在线求解具有凸约束的矩阵不等式获得。最后,通过一个喷气式发动机模型的仿真算例验证所提出的容错控制方法的有效性。容错控制方法的有效性。容错控制方法的有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种存在部分解耦扰动的网络化系统容错控制方法


[0001]本专利技术属于网络化系统领域,涉及一种存在部分解耦扰动的网络化系统容错控制方法.

技术介绍

[0002]随着工业自动化程度的提高和智能制造领域技术的发展,控制系统与通信网络高度融合的趋势愈专利技术显.网络化控制系统(NCSs)是一种由网络单元和被控对象通过共享网络高度集成交互而形成的闭环反馈控制系统,因其具有造价低廉,安装简单,维护方便等优点,近年来受到了国内外学者们的持续关注,并在许多实际工程领域得到了广泛应用.
[0003]然而,在实际应用中,通讯网络的引入在增加系统灵活性和扩展便捷性的同时,也给系统的分析与设计带来了新的挑战,如数据包丢失、传输时延、量化误差和网络攻击等.另一方面, 由于现代工业系统规模和复杂程度的逐渐提高,系统发生故障的概率也在不断增加.这类复杂的大系统发生任何微小或潜在的故障,若未能被及时诊断和有效处理,都有可能引发连锁反应直至系统崩溃,甚至会酿成灾难性后果.此时解决这一系列问题的常用方法便是构造合适的容错控制律,保证系统在故障情况下仍能稳定运行.

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术中存在的问题,本专利技术提供了一种存在部分解耦扰动的网络化系统容错控制方法.针对一类存在执行器故障和部分解耦扰动的离散时间网络化控制系统的状态与故障的联合估计及容错控制问题.在考虑测量数据发生随机丢失情况下,通过构造未知输入观测器实现对系统状态与故障的联合估计.然后基于故障估计的结果,采用基于信号补偿的容错控制策略减轻故障对系统性能的影响.
[0005]本专利技术的技术方案:
[0006]一种存在部分解耦扰动的网络化系统容错控制方法,包括以下步骤:
[0007]1)建立如下所示的一类离散时间网络化系统的模型:
[0008][0009]其中:分别表示为系统的状态向量,输入向量和可测测量输出, 为可能由干扰或建模误差导致的有界未知输入向量；为系统的测量噪声, w(k)∈l2[0,∞),l2[0,∞)表示为由平方可积的可测函数组成的空间,为待估计的执行器故障信号,令Δf(k)＝f(k+1)
‑
f(k),这里假设Δf(k)是有界的,即f(k)的变化率适中；均为系统的常数矩阵，E为故障信号的分量矩阵；此外,其中假定d1(k)是未知的但可解
耦的,而d2(k)是无法解耦的,B和均为列满秩矩阵；n为系统状态向量的维数，m为输入向量的维数，p为可测测量输出的维数，q为测量噪声的维数，l
d
为未知输入向量的维数， l
f
为故障信号的维数，为未知输入解耦部分向量的维数，为未知输入无法解耦部分向量的维数，表示为矩阵的秩；
[0010]存在随机丢包的情况下,未知输入观测器接受到的输入信号为:
[0011][0012]其中:随机变量β(k)满足Bernoulli分布,用来表示系统在网络通道中可能发生的丢包现象；当β(k)＝1时,表明系统中无数据包丢失,当β(k)＝0时,表明系统中数据包全部丢失,丢包的概率表示为表示为丢包率；
[0013]2)构建增广系统的模型
[0014]为了同时得到系统状态和故障的估计值,将系统(1)增广为如下形式:
[0015][0016]其中,其中,其中,I为单位矩阵；
[0017]通过构造合适的观测器可以获得增广系统的状态估计值由此根据以下公式可分别得到原系统的状态和故障的估计值；
[0018][0019]3)设计未知输入观测器:
[0020][0021]其中:为增广系统的状态估计值,是未知输入观测器的状态向量, 为待设计的增益矩阵；
[0022]定义估计误差向量为进一步计算可得:
[0023][0024]由于随机数的存在,为确保估计误差值尽可能小,这里需对式(6)两边同时求期望,结果如下:
[0025][0026]通过相关引理证明,动态估计误差可以写为:
[0027][0028]式中，令用它表示前一时刻的增广状态值且k＞1；
[0029]4)误差动态系统(8)是输入
‑
状态稳定的和未知输入观测器存在的充分条件为:
[0030][0031]其中:η(k)＝e(k+1)
‑
e(k),e(k),L1＝P
‑1Y,L2＝RH，*代表对称位置矩阵的转置,0是零矩阵；均为待确定的未知矩阵；α是给定的常数,γ
δ
＞0是给定的系统性能指标，和分别表示式(9)中第5行5列和第6行6列对应单位矩阵的维数；
[0032]给定常数α、以及γ
δ
＞0为系统性能指标,利用MATLAB 中的LMI工具箱求解式(9),当存在一个正定矩阵P和矩阵Y,使得式(9)成立,则系统是输入
‑ꢀ
状态稳定的,能够获得较为准确的系统(3)的增广状态的估计值,即能够进行步骤5)；当上述未知变量没有可行解,则系统不是输入
‑
状态稳定的,且不能获得较为准确的系统(3)的增广状态的估计值,不能进行步骤5)；
[0033]5)存在部分解耦扰动的网络化系统容错控制
[0034]设在系统正常运行状态下，即无故障情况下，系统预先存在一个静态输出反馈控制器如下形式:
[0035]接下来任务便是设计一个合适的反馈增益K使系统(1)保持渐进稳定性能并满足特定的性能指标.
[0036]在得到系统执行器故障的估计值时,可以通过给定一个附加信号进行补偿,并保证系统仍具有良好的输入
‑
状态稳定性能,系统的补偿信号可设计为其中其中表示为矩阵的广义逆矩阵；
[0037]因此,可设计一种如下形式的基于信号补偿的容错控制律:
[0038][0039]将新的控制律(10)带入系统(1),建立新的具有容错性能的闭环系统如下形式:
[0040][0041]其中,A
δ
＝A+β(k)BKC,B
e
＝EJ2,,
[0042]由式(8)得到未知输入观测器的残差信号e(k),然后由式(4)计算得到系统状态的估计值和故障的估计值f(k),最后采用式(10)的容错控制律消除故障对系统的影响并保证系统的输入
‑
状态稳定性.
[0043]进一步的,所述步骤5)中,设计一个合适的反馈增益K使系统(1)保持渐进稳定性能并满足特定的性能指标,选择如下保性能控制的二次型指标如下:
[0044][0045]其中,Q和M为给定的适当维度的对称正定矩阵,利用Lyapunov稳定性理论,利用保性能状态反馈控制律的存在条件,通过求解线性矩阵等式容易得到反馈增益K.
[0046]本专利技术的有益效果:本专利技术同时考虑了网络化系统中存在的系统执行器故障、随机丢包以及部分解耦扰动情况下未知输入观测器的设计方法,通过设计未知输入观测器实现对系统状态和故障的联合估计,在存在随机丢包和部分解耦扰动的情况下,对系统发生的故障进行估计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种存在部分解耦扰动的网络化系统容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立如下所示的一类离散时间网络化系统的模型：其中：分别表示为系统的状态向量，输入向量和可测测量输出，为可能由干扰或建模误差导致的有界未知输入向量；为系统的测量噪声，w(k)∈l2[0,∞)，l2[0,∞)表示为由平方可积的可测函数组成的空间，为待估计的执行器故障信号，令Δf(k)＝f(k+1)
‑
f(k)，这里设Δf(k)是有界的，即f(k)的变化率适中；为系统的常数矩阵，E为故障信号的分量矩阵；此外，其中设d1(k)是未知的但可解耦的，而d2(k)是无法解耦的，B和均为列满秩矩阵；n为系统状态向量的维数，m为输入向量的维数，p为可测测量输出的维数，q为测量噪声的维数，l
d
为未知输入向量的维数，l
f
为故障信号的维数，为未知输入解耦部分向量的维数，为未知输入无法解耦部分向量的维数，表示为矩阵的秩；存在随机丢包的情况下，未知输入观测器接受到的输入信号为：其中：随机变量β(k)满足Bernoulli分布，用来表示系统在网络通道中可能发生的丢包现象；当β(k)＝1时，表明系统中无数据包丢失，当β(k)＝0时，表明系统中数据包全部丢失，丢包的概率表示为表示为丢包率；2)构建增广系统的模型为了同时得到系统状态和故障的估计值，将系统(1)增广为如下形式：其中，其中，其中，I为单位矩阵；通过构造合适的观测器获得增广系统的状态估计值由此根据以下公式可分别得到原系统的状态和故障的估计值；
3)设计未知输入观测器：其中：为增广系统的状态估计值，是未知输入观测器的状态向量，，为待设计的增益矩阵；定义估计误差向量为进一步计算可得：由于随机数的存在，为确保估计误差值尽可能小，这里需对式(6)两边同时求期望，结果如下：通过相关引理证明，动态估计误差可以写为：式中，令用它表示前一时刻的增广状态值且k＞1；4)误差动态系统(8)是输入
‑
状态稳定的和未知输入观测器存在的充分条件为：其中：η(k)＝e(k+1)
‑
e(k)，
L1＝P
...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜顺，潘腾，潘丰，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：