收稿日期:20120329;修回日期:20120507 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61174021)
作者简介:陈志明(1986),硕士研究生,主要研究方向为无线网络控制系统故障检测(timmyzm@sina.cn);崔宝同(1960),教授,博导,主要
研究方向为控制理论及其应用、复杂系统控制理论与应用.
不确定时滞的无线网络控制系统的故障检测
陈志明,崔宝同
(江南大学 物联网工程学院,江苏 无锡 214122)
摘 要:研究了一类具有不确定时滞的无线网络控制系统的故障检测的问题。由于时滞是不确定的,可以通过
增广向量法将系统建模为马尔科夫跳变系统。在此基础上,设计了观测滤波器,满足了滤波器在没有扰动的情
况下均方指数稳定,在有扰动时,满足一定的 H
∞
鲁棒性能。当系统发生故障时,故障检测系统立即检测出故
障。所得结果通过仿真示例得到了验证。
关键词:无线网络控制系统;不确定时滞;增广向量法;马尔科夫跳变系统;滤波器;稳定性;故障检测
中图分类号:TP273;TP393 文献标志码:A 文章编号:10013695(2012)11423503
doi
:10.3969/j.issn.10013695.2012.11.059
Faultdetectionforwirelessnetworkedcontrolsystemswithuncertaintimedelay
CHENZhiming,CUIBaotong
(SchoolofIoTEngineering,JiangnanUniversity,WuxiJiangsu214122,China)
Abstract:Thispaperaddressedtheproblemofthefaultdetectionforaclassofwirelessnetworkedcontrolsystemswithuncer
taintimedelay.Sincethedelayisuncertain,thesystemcanbemodeledasaMarkovjumpsystemsthroughaugmentedvector
method.Onthebasisofthemodelabove
,thispaperdesignedaobserverbasedfilter,bychoosingtheappropriatefiltergain,
thefilterwasmeansquareconvergentiftherewasnodisturbance,andthefilterwouldsatisfycertainH
∞
robustperformance
ifdisturbanceexists.Whenafaultoccurs,thefaultdetectionsystemwoulddetectthefaultrapidly.Simulationexamplesverify
allresults.
Keywords:wirelessnetworkedcontrolsystems;uncertaintimedelay;augmentedvectormethod;Markovjumpsystems;fil
ter;stability;faultdetection
无线网络控制系统是利用无线网络进行数据传输的网络
控制系统。与有线网络控制系统相比,无线网络控制系统布线
方便,简化了硬件架构并且维护比较方便。但是,无线网络控
制系统也有着时滞长、信息传输易受干扰等较之有线网络控制
系统更甚的缺点
[1~3]
。近年来,对有线网络控制系统已有了相
当多的研究成果
[4~8]
。文献[4]考虑了网络控制系统中时滞
的不确定性,结合系统状态不能被完全观测的情况下,研究了
这类系统的 H
∞
鲁棒控制问题。文献[5]研究了经过网络传
输数据时存在时滞和数据包丢失的网络控制系统的稳定性,并
设计了相应的控制器。文献[
6]研究了时滞不是采样周期的
整数倍且控制端、执行端都存在数据包丢失情况下的系统的故
障检测问题。文献[7]利用多速率采样及增广向量法将不确
定时滞的网络控制系统建模为马尔科夫跳变系统并设计了相
应的故障检测滤波器进行系统的故障检测的研究。文献[
8]
将不确定时滞转换成时变多面体的不确定性,通过模型匹配的
方法设计残差发生器进行故障检测。较之有线网络控制系统
的丰富研究成果,无线网络控制系统的研究还处于初始阶段,
但也有了一些研究成果
[9~11]
。文献[9]介绍了无线网络控制
系统的建模问题。文献[10]对同时使用无线网络和有线网络
的控制系统的稳定性问题进行了研究。文献[
11]假设系统通
过无线网络传输数据且被控对象模型是非线性的,将系统作模
糊化处理结合无线网络传输数据时的特点,利用增广向量法将
系统建模为模糊切换系统,再设计观测器进行状态观测并检测
故障。本文提出了不确定时滞的无线网络控制系统的故障检
测问题。
"
问题描述
考虑如图 1所示的无线网络控制系统,连续线性时不变系
统的状态空间模型可以写成如下的标准形式:
x(t)=Ax(t)+Bu(t)+E
1
f(t)+D
1
w(t) (1)
y(t)=Cx(t)+E
2
f(t)+D
2
w(t) (2)
其中:x
∈
R
n
表示状态向量;u
∈
R
m
是系统的控制输入向量;
y
∈
R
r
是可测的输出向量;A、B、C、D
1
、D
2
、E
1
、E
2
为适当维数
的实矩阵,且 C为行满秩;未知输入项 w(t)
∈
R
l
包含有建模
的不确定性和外部干扰,且 w(t)
∈
L
2
[0,
∞
);f(t)
∈
R
g
是系统
发生故障时的故障向量。
对于上述的无线网络控制系统,需要作如下假设:
假设
1 无线网络控制系统的采样周期为 T,其中传感器
采用时间驱动的方式,控制器及执行器则采用时分驱动的方
式。本文用
τ
sc
和
τ
ca
分别代表传感器端到控制器端的时滞以
及控制器端到执行器端的时滞。为了进行后续分析,这里令
τ
sc
<h
1
T,
τ
ca
<h
2
T,其中 h
1
、h
2
都为非负整数。因此,总的传输
时滞即为
τ
=
τ
sc
+
τ
ca
<h
1
T+h
2
T=h
0
T,其中 h
0
=h
1
+h
2
也是
一个非负整数。
第 29卷第 11期
2012年 11月
计 算 机 应 用 研 究
ApplicationResearchofComputers
Vol29No11
Nov.2012