基于卡尔曼滤波器的网络控制系统的故障检测

论文摘要

随着网络技术和计算机技术的不断发展,基于网络的控制系统正在取代点对点结构的控制系统。通过网络形成闭环的控制系统称为网络控制系统(Networked Control Systems, NCS)。NCS的主要优点是可以实现资源共享、安装与维护简单及增加了系统的灵活性和可靠性。故障检测日益成为一个非常重要的研究领域。在实际控制过程中,由于系统参数的变化、干扰和噪声等因素会影响残差信号,因此需要把这些因素当作未知输入并从残差中解耦出来,这就是故障检测,它受到许多学者的关注。网络控制系统的故障检测是一个新的研究课题。基于观测器方法的思想是通过残差信号来判断故障的信息。残差产生器的设计是网络控制系统故障检测的核心问题之一,即设计残差产生器使所产生的残差信号对参考输入、扰动信号和其它未知输入具有较强的鲁棒性,同时对发生的故障信号具有较高的灵敏度。本文充分考虑了网络控制系统的延时特性,分析了网络控制系统的基本问题,详细阐述了几种常用的观测器,然后基于观测器的方法从两方面来分析了网络控制系统的特性。一方面,故障检测,只考虑从传感器到控制器的网络时延,构造一个具有时延补偿功能的最优观测器来估计系统的全部状态,最后得出系统的残差只跟故障和噪声有关的结论。另一方面,容错控制,将未能成功传输数据的传感器视为发生了“故障”,借助容错控制的方法进行控制器的设计。控制器通常由两部分组成,一部分是状态观测器,它根据所测量到的输出量重构出全部状态；另一部分是控制规律,它直接反馈重构的全部状态,最后证明系统是稳定的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 网络控制系统的提出
• 1.2 网络控制系统的发展
• 1.3 网络控制系统的基本问题
• 1.3.1 时变传输周期
• 1.3.2 网络调度
• 1.3.3 网络时延
• 1.3.4 单包传输和多包传输
• 1.3.5 数据包时序错乱
• 1.3.6 数据包丢失
• 1.3.7 节点驱动方式
• 1.3.8 时钟同步
• 1.4 网络控制系统的研究方法
• 1.4.1 增广确定离散时间模型法
• 1.4.2 缓冲队列方法
• 1.4.3 鲁棒控制设计方法
• 1.4.4 最优随机控制方法
• 1.4.5 智能控制方法
• 1.5 网络控制系统的研究内容
• 1.5.1 控制问题（保证QoP）
• 1.5.2 网络调度问题（保证QoS）
• 1.5.3 控制与调度综合研究（兼顾QoP和QoS）
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第二章 系统故障检测基本问题
• 2.1 基于解析模型的方法
• 2.1.1 基于状态估计的故障诊断方法
• 2.1.2 等价空间方法
• 2.1.3 参数估计方法
• 2.2 基于知识的方法
• 2.2.1 基于神经网络的故障诊断方法
• 2.2.2 基于模糊逻辑的故障诊断方法
• 2.2.3 专家系统方法
• 2.2.4 基于定性模型的方法
• 2.3 基于信号驱动的方法
• 第三章 状态观测器的设计
• 3.1 预报观测器
• 3.2 现时观测器
• 3.3 降阶观测器
• 3.4 最优观测器——卡尔曼滤波器
• 3.4.1 卡尔曼滤波器公式的推导
• 3.4.2 卡尔曼滤波问题的推广
• 第四章 基于卡尔曼滤波器的网络控制系统的故障检测
• 4.1 带时延的卡尔曼滤波器的构造
• 4.2 网络控制系统的故障检测
• 4.3 仿真算例
• 4.3.1 不考虑延时的系统的仿真
• 4.3.2 具有输出延时的网络控制系统的仿真
• 第五章 MIMO网络控制系统的容错控制
• 5.1 网络控制系统的建模
• 5.2 控制器的设计
• 5.3 仿真算例
• 5.3.1 不带扰动的网络控制系统系统的仿真输出
• 5.3.2 带扰动的网络控制系统系统的仿真输出
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 将来展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文