基于网络控制系统的故障检测和容错控制

论文摘要

本文针对带有网络诱导时延的网络化控制系统,研究了其故障诊断和容错控制问题,提出了相应算法并用Matlab实现了仿真验证。文中首先介绍了网络控制系统的研究意义和现状,同时针对网络化控制系统的故障检测与容错控制的研究现状进行了分析并得出了相关结论。在对于较为通用的网络控制系统模型进行分析的基础上,应用数学方法对模型进行合理的预处理,设计未知输入观测器,利用观测器输出得到残差,分析残差并设计了基于未知输入观测器的执行机构故障检测方案。并用一个数值例子验证了算法的有效性。进一步,提出了一种基于输出反馈的模型参考自适应容错控制方案。应用史密斯估计器,有效的降低因网络时延而带来的影响,同时简化了系统结构。在此基础上设计模型参考自适应机构,可使系统在环境改变或系统发生故障的情况下,依旧保持稳定并维持一定的性能。最后,通过一个倒立摆的例子,表明该方案不仅简单而且有效。最后,对当前比较流行的几种虚拟仪器软件的适用范围进行了研究分析,选取了使用Matlab和LabWindows联合编程的方法来构建虚拟网络控制系统仿真平台。分析了常用的几种联合编程方式,并对各种方式的优劣和适用范围进行分析对比,得到了相关的结论,确定了合适的设计方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 网络控制系统研究的意义
• 1.1.1 网络控制系统的（Networked Control systems）的提出
• 1.1.2 网络控制系统研究的意义
• 1.2 网络控制系统的研究现状
• 1.2.1 网络控制系统面临的特殊问题
• 1.2.2 国内外控制界对网络控制系统的研究现状
• 1.3 网络控制系统的故障诊断及容错控制的研究现状
• 1.3.1 故障诊断及容错控制的发展与兴起
• 1.3.2 控制系统故障检测技术简介以及研究现状
• 1.3.3 网络控制系统故障诊断及容错控制发展概述及分析
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 网络控制系统的数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 包含网络时延的网络控制系统数学模型
• 2.3 包含数据包丢失的网络控制系统数学模型
• 2.3.1 单包传送和单包数据包丢失
• 2.3.2 多包传送和多包数据包丢失
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于未知输入观测器的网络控制系统的执行机构故障检测
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型选择与预处理
• 3.3 针对网络控制系统时延未知输入观测器设计
• 3.4 基于未知输入观测器的执行机构故障检测
• 3.5 仿真算例及算例分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于输出反馈的MRAC 方案在网络化控制系统中应用
• 4.1 引言
• 4.1.1 MRAC 应用于离散控制系统容错控制的发展综述
• 4.1.2 本章中拟采用的MRAC 方案简介
• 4.2 问题描述及模型预处理
• 4.2.1 网络控制系统基本数学模型描述
• 4.2.2 史密斯估计器在网络控制系统中的应用
• 4.2.3 使用史密斯估计器简化被控对象
• 4.3 MRAC 方案的设计
• 4.3.1 可调系统的建立
• 4.3.2 自适应控制律的设计
• 4.4 仿真算例及算例分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于虚拟仪器技术的网络控制系统仿真平台总体设计研究
• 5.1 引言
• 5.1.1 基于虚拟仪器的网络虚拟实验室的发展前景
• 5.1.2 虚拟仪器的特点及概念
• 5.1.3 网络虚拟实验室的发展方向
• 5.2 虚拟网络控制系统仿真平台总体设计方案
• 5.2.1 总体思路
• 5.2.2 具体设计方案选择
• 5.3 基于 LabWindows 的虚拟网络控制系统实验平台总体设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 全文的工作总结
• 6.2 后续工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间的学术论文与科研情况
• 附录一