（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统的故障检测.pdf

东北走攀疆士学位谴文撼垂 网络控制系统的故障检测 摘要 随着网络控制技术的发展，传统控制系统网络化成为一种新的趋势。近年来对网络 控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，篱称n c s ) 靛硬究萼| 起了越寒越多豹学者广泛熬兴 趣，为了确保网络控制系统运行的可靠性，对于网络控制系统故障诊断( f a u l t d i a g n o s i s ， 靛称f d ) 耀蓬瓣蚕嚣衮至关重要，毽是嚣兹对于鼹终控铡系统f d 趣瓣骚究麴残暴还缀多。 网络化控制系统的故障诊断是一个新的研究课题。残差产生器的设计是网络控制系 绫f d 瓣竣心润憨之一，辈没诗残羞产生器壤掰产垒懿袋麓绩号瓣参考输入、撬动信号移 其它未知输入具有较强的鲁棒性，同时对发生的敞障信号具有较高的灵敏度。另一方面， 麓予鼹测嚣方法楚铸统控稍系绫擎d 设计熬重要方法之一，芽取褥了丰富豹疆究藏采。 本文充分考虑了网络化控制系统的随机时娥，分析了网络时延的时序，并构建了网 络控裁系统的数学模鼙。然磊采瓣基于躐灏器瓣方法，产生n c s 的残蓑，主要扶嚣个 方面出发构造了网络控制系统的状态观测器。一方面，将网络掇捌系统( n c s ) 看成一 个具有输出时惩的采样羟翻系统，建立了其数学穰型，接饕构造了一个旅漳观测器，产 生了系统放障的指示器残差。然腐在此赫础上介缨了一种故障检测的方法。总结了故障 蕊测器的设计算法。另一方面，将网络控制系绕( n c s ) 看成一个具有擦制时延的采样 控制系缎，建立了数学横型，并对于一类多控制爨、多个不确定长时滞诱导时聪的网络 控制系统，将基于无记忆降阶状态观测嚣作为敞障检测的残差产生器，把故障稔测问题 转化为戏测器的设计问题，并采用= 变换的方法避行处璞，推导鲢l 残整方程，进行了故 障分离。最后，通过m a t l a b 仿真，诳明了上述方法的有效性。 荚键词：网络控制系统；故障检测；网络诱导时延；观测器；数学模型 - i i - 查苎垄兰翌主兰些垄圭圭塑! ! ! 竺 f a u l td e t e c t i o no fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r k e dc o n t r o lt e c h n o l o g y ，i tb e c o m e sak i n do fn e w v e n dt h a tt h et r a d i t i o n a lc e n t r e ls y s t e mi sn e v w o r k e dm o r ea n dm o r es c h o l a r sh a v es h o w n e x t e n s i v ei n t e r e s t i nt h er e s e a r c ho f n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ， b r i e f l yn a m e dn c s ) i nr e c e n ty e a r s f o rf i l es a k eo fi n s n r i n gn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m c i r c u l a t i n gc r e d i b l e ，i ti sm o r ei m p o r t a n tf o rt h es t u d yo nt h ef a u l td i a g n o s i s ( f a u kd i a g n o s i s ， b r i e f l yn a m e df d ) o f n c sb u tf o rt h ef dp r o b l e m so f n c s ，f e wi sp r e s e n t e d 1 1 1 ef a u l td i a g n o s i so f n c si sai l e wr e s e a r c ht o p i c t h ed e s i g no f t h er e s i d u eg e n e r a t o r i so n eo ft h ec o r ep r o b l e m so fn e t w o r k e ds y s t e mf d n a m e l y ，o i lt h eo n eh a n d ，t h ed e s i g n e d r e s i d u eg e n e r a t o rc o u l dm a x i m i z et h es e n s i t i v i t yo fr e s i d u a lt of a u l ta n ds i m u l t a n e o u s l y g u a r a n t e et h er o b u s t n e s so ft h er e s i d u es i g n a lt ot h er e f e r e n c ei n p u t ，d i s t m b a n c es i g n a la sw e l l u n k n o w ni n p u t ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h eo b s e r v e r - b a s e dm e t h o di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t m e t h o d so ft h et r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mf dd e s i g n ，w h i c hh a v eo b t a i n e da b u n d a n tr e s e a r c h r e s u l t i nt h i sp a p e r ，c o n s i d e r i n gt h er a n d o mt i m e d e l a yo f n c s ，w ea n a l y z ei t ss e q u e n c ea n d s e tu pt h em a t h e m a t i cm o d e lo f n c s t h e nw eo b t a i nt h er e s i d u eg e n e r a t o rb yd e s i g n i n gt h e o b s e r v e r - b a s e df d ，a n dt w om e t h o d sa r em e n t i o n e d o nt h eo n eh a n d ，n c si sr e g a r d e da sa s a m p l e d d a t ac o n t r o ls y s t e mw i mo u t p u tt i m e d e l a ya n d am a t h e m a t i c a lm o d e li ss e ti m s oa f a u l to b s e r v e ri sc o n s t r u c t e d ，a n dt h ei n d i c a t o ro fs y s t e mf a u l t s r e s i d u a lw a sg e n e r a t e d t h e n f a u l td e t e c t i o na p p r o a c hb a s e do nt h i so b s e r v e rw a si n t r o d u c e d t h ed e s i g na l g o r i t h mo ft h e f a u l to b s e r v e rw a ss u m m a r i z e d o nt h eo t h e rh a n d n c si sr e g a r d e df l sas a m p l e d d a t ac o n t r o ls y s t e m 稍t hc o n t r o l t i m e - d e l a ya n dam a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu pt h e nw eo b l a i nt h er e s i d u eg e n e r a t o ro ff d b yd e s i g n i n gt h em e m o l y l e s sr e d u c e d - o r d e ro b s e r v e rf o rak i n do fn c s w i t hm a n y - c o n t r o l v e c t o r sa n dl o n gt i m e - d e l a y s s of dp r o b l e m sa mt r a n s f o r m e di n t ot h eo b s e r v e rp r o b l e m s w eu s ez - t r a n s f o r mt od e a lw i t ht h el o n gd e l a y s b yc o m p u t i n gt h er e s i d u a lb e t w e e nt h e o u t p u to ft h ep r a c t i c a ls y s t e ma n dt h eo u t p u to ft h eo b s e r v e r , w ed e t e c tt h ef a u l to ft h e n e t w o r k e ds y s t e m a tl a s t ，t w oe x a m p l e sa r eg i v e nt om o wt h ea p p r o a c h e sa r ef e a s i b l eb y m a t l a bs i m u l a t i o n k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ；f a u l td e t e c t i o n ；n a t w o r k - i n d u c e dd e l a y ；o b s e r v e r ； m a t h e m a t i cm o d c l 独创性声明 本人声明，所呈交鼹学位论文是在导簿的撰导下究成戆。论文中彀褥 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的硬究残果，也不包括本人为获襻其毽学位丙使用过麓耪料。与我一强工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文 乍者签鬈；筋籍旺 基 麓：茹。g 。f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：帮学校有权傈聱并向国家有关部门或祝构送交论文的复印件和 磁盘，竞谗论文被查阕和诺阙。本人同意东蔓艺大学可以将学蛰论文韵全部 或部分内容编入有关数据库进荦亍检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字目期： 导师签名： 签字目期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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( n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m s ) 的提出 “网络控制系统般有两种理解，一种是对网络的控f a l ( c o m r o lo f n e t w o r k ) ；另一 种是通过网络传输信息的控制系统( c o n t r o lt h r o u g hn e t w o r k ) 。这两种系统都离不开控制 和网络，但侧重点不同。前者是指对网络路由、网络数据流量等的调度与控制，是对网 络自身的控制，可以利用运筹学和控制理论的方法来实现；后者是指控制系统的各节点 ( 传感器、控制器、执行器等) 之间的数据不是传统的点对点式的，而是通过网络来传输 的，是一种分布式控制系统，可通过建立其数学模型用控制理论的方法进行研究。图1 - 1 给出了网络控制系统的结构。本文主要研究的内容正是后者，即：网络控制系统 m e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) 。 圈1 1 网络控胄4 系统结构 f i 9 1 1t h es t r u c t u r eo f n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m “n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ”最早于1 9 9 8 年出现在马里兰大学c ac w a l s h 的论 著中，但未给出明确的定义，只是用图示说明了网络控制系统的结构，指出在该系统中 控制器与传感器通过串行通信形成闭环。而同济大学的于之训等用了“网络控制系统”； 重庆大学的张结斌等用了“分布式网络控制系统”这样的术语。 清华大学的顾洪军给出了明确的定义： 定义1 网络控制系统( n c s 。n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) ，又称为网络化的控制系统， 即在网络环境下实现的控制系统。是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和 通信线路的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的设备和用户实 现资源共享和协调操作。广义的网络控制系统包括狭义的在内， 而且还包括通过企业 信息网络以及i n t e m e t 实现对工厂车间、生产线甚至现场设备的监视与控制等e 塑堕塑型丝! 堕一一 苎二主墼 1 1 2 网络控制系统研究的意义 一一j 电气时代之前，控制是通过机械机构等物理手段来实现的，控制的研究几乎不存在。 电气时代之后，控制多是通过模拟电路来实现的，基于连续时间的控制系统理论形成现 代控制研究的主体a 进入计算机时代之后，数字信息处理和微处理器的广泛应用，使得 我们不得不研究基于离散时间的控制系统，形成数字控制理论的基础。今天，我们刚刚 进入了网络时代，基于网络的连通性将会像电样无处不在，“到处都算，什么都连 ( c o m p u t i n ga n y w a yh e r e ，c o n n e c t i n ga n y t h i n g ) ”的“连通世界( c o n n e c t e dw o r l d ) ”及其“连通 生活方式( c o n n e c t e dl i f e s t y l e ) ”已成为社会的共识。我们的问题是：网络技术对控制的冲 击到底是什么? 网络的广泛应用会不会在控制领域也引起t h o r n1 1 8k u h n 意义下的范例 转移( p a r a d i g ms l l i 勋? 或至少出现象从连续时间控制理论到离散时间控制理论这样的发 展? 显然， 我们现在还无法回答这些问题但基于网络的控制系统的重要意义和优点已 是显而易见。进入2 1 世纪的控制系统将以网络为主要特征。一方面，自动化与工业控 制需要更深层次地渗透通信与网络技术。随着c a n 局域控制网和各种现场总线进入制造 业和化工厂等工业控制，采用分布式控制方式，与传统点到点连接的反馈控制系统相比 较，具有简单、快捷、连线减少、可靠性提高、容易实现信息资源共享等优点。例如新 一代飞行器，由于计算机、智能终端、传感器和执行器散落在不同空间，它们之间的信 息处理需要通过数据通讯网络来实现，这是网络环境下典型的控制系统。另一方面，通 信网络的管理与控制也要求更多地采用控制理论与策略。计算机网络、i n t e m e t 、虚拟网 络、企业网络、现代信号处理等，使自动化系统与工业控制系统在体系结构、控制方法、 人机协作方法等都发生了重大变化，同时也带来了新的课题，其中之一就是网络环境下 的控制方法与算法需要创新。 实际上，制造者和投资商已认识到基于网络控制的重要性。根据f o r r e s t e r 的估计， 2 0 0 8 年，2 0 的大批量生产的电器将会有上网功能。可能在不久的将来，多数电器，不 管是需要还是不需要，都会有上网的功能。原因很简单，上网功能可能不久就会成为多 数微处理器芯片的标准模块。生产的批量化将使得不带上网功能芯片的生产成本高于带 上网芯片的成本，就像今天一些老式的电器生产成本要高于新式电器的生产成本一样。 鉴于上述考虑，开展基于网络的控制系统的理论研究意义重大。 1 2 网络控制系统的研究状况 将计算机网络系统应用于控制系统中代替传统的点对点( p o i n t t op o i n t ) 式的连线， 具有简单、快捷、连线减少、可靠性提高、容易实现信息共享、易于维护和扩展、降低 一2 一 末北大学硕士学位论文 第一母绪论 费用等优点。币因为如此，近几年来以现场总线为代表的网络控制系统得到了前所未宥 漪袄蘧发震露广泛痖蔫。偿控翻霞络在其备多蘩谯点稳弼辩，菇j 予网络的介入( 如图 1 所示) ，不可避免地带来以下问题： 幻信惑豹传输延迟，遁常楚麓祝静； b ) 由于网络传输的不可靠性，网络控制系统会发生丢失信息瓴的现象； e ) 受嗣络带宽霸数豢饿容量戆限制，多通道健输是不w 避免的。 这蝗问题的存在，不但会降低系统的控制性能，蔼屐还是弓i 起系统不稳定的潜在因 索，尤冀是对那照快速系统影响爱大，值强前还缺乏有效的方法对其进行分析与设计”，鞠。 自从“n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ”被提出，并被作为一个系统硬究以来已经取得了 一定的成果。目前，国际上已有一些学者涉及网络控制系统建模和分析的工作。h a l e v i 和r a y 将n c s , 褪为一个遂续的对象积离教的控剁器，用璃敷的方法来磷究控毒l 系统之鲻 的通讯嘎n i l s s o n l n 样在离散领域分析网络化控制系统。他针对不同的时延模粼解决了 不同鲶l q g 优化阔题【3 l 。与上述内容不同鲍是，w 融s h 等疆究的n e s 仅仅在终感嚣帮控制 器之间加入了网络环节，他们将其看作魁一个连续的对象和连续的控制器 4 1 。在网内，于 之沁5 】等邀铮对网终控铡系绞设诗了状态褒溅嚣窥控剁繁赂。 网络控制系统作为控制和网络的交叉学科涉及的内容相当广泛，下丽将从控制的角 发出发。结合蠢予鄹络奔矮带来戆翘遂，综述n e s 鑫冬磺究凌状。 1 2 1 网络延迟 网络环境下静控箭系统建搂有3 种方式：离激数学模型、逡绥数学模鹜和混杂数学 模型。根据控制器和执行器工作方式的不同( 时间驱动瓤事件驱幼) ，可采用不同的数学 搂墅。 文献 1 】给出了控制器为时阃驱动面执行器为事件驱劝时的网络控制系统的离散时 间模型。假定被控对象的连续时间模型为 岩= 直y + b u ( 1 。1 ) 相对于采样时间k t ，被控对象的离散时间模擞为 彤( 嘉+ 1 ) = 鹰x ( 意) + 磷酸一l ( 1 。2 ) l - m 其中：，碡= e ”，劈= e a o - o b d f ，起一t = t ，f ；= 0 ，z 为时闻f 腰，( 詹+ 1 ) q 内到达执 行器的掇带4 信号的个数。 文献f 3 伥蝰了传感嚣采用时闻驱动工作方式，两控锩8 器和执行器采用事件驱戢工撑 方式。蕊于这种工作模式，给出了离散数学模激 峻“。c x k + r 。( 如) 一l ( 1 - 3 ) 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 其中 r o ( “) = - r e a s b d s r l ( 。) = r - 。e 4 5 b 凼，。= e h 文献【6 】针对模型( 1 1 ) 提出了基于观测器的分布延迟补偿器。在该补偿器算法中， 首先在控制器和执行器接收端设鼍接收缓冲区，将时变的传输延迟转化为固定的传输延 迟。其优点是可用已有的确定性系统设计和分析方法对闭环网络控制系统进行设计和分 析，不受延迟特性变化的影响：其缺点是将所有延迟都转化为最大延迟，人为地将传输 延迟扩大化，因此降低了系统应有的控制性能。 文献【7 】对随机时变分布延迟下的输出反馈时延网络系统进行研究，基于最小方差滤 波器和动态规划原理，得到了具有随机延迟补偿的l q r 控制器( d c l q r ) ，但不满足确定 性等价原理。 文献 3 采用模型( 1 2 ) ，并假设时滞满足已知的概率分布或是m a r e o v 链，给出了闭 环网络系统的l q r 随机最优控制律，该控制律满足确定性等价原理。 文献 4 】考虑了连续模型和连续控制器，给出了最大允许传递间隔( m a t i ) f 的概念， 并给出了保持系统稳定的f 的值，但保守性较大。 文献【8 】针对长时滞网络控制系统，给出了混杂控制系统的模型，并给出了系统稳定 的充分条件。混杂控制系统模型为 量( f ) = a x ( t ) - b i 殴( o ( 1 4 ) 其中 f 涌+ r ，( 七+ 1 ) h + f 】 量o ) = x ( t f ) = c x ( t ) + d i c ( t ) ( 1 5 ) 其中 c = e 一“d = e - a t e ( r ) b k 如果 h 书e a 。h _ 一二菡嚣呦脒 是s c h u r 的，那么网络控制系统( 1 5 ) 是稳定的a 其中 e ( ) = p m 。协 董兰查兰翌主兰苎丝l 一苎= 主鲨笙 “。- h _ - - _ 。 1 2 2 丢包问题 此时，网络可看成一个以速率，关闭的开关，当开关为闭时( s ) ，包含茁( 砌) 的数据 包被传输；当开关为开时( 足) ，开关的输出维持原来的值数据包被丢失( 见图1 2 ) 。丌 关的模型为 s ：i ( 肋) = x ( k h ) 岛：i ( 七h ) = x ( ( 七一1 ) 自) 幽1 2 数据包丢失 f i 9 1 2d a t ap a c k a g ed r o p o u t 设= ( 肋) = i x 7 ( 砌) ，i 7 ( 砌) r 为扩展状态向量，有数据包丢失的网络控制系统可表示为 z ( ( t + 1 ) ) = 中，z ( k h ) j = 1 ，2 ( 1 6 ) 当丌关在s t 时，则 未o f k q 2 【m 一眦j 当开关在时，则 吣 言一1 1 2 3 多通道传输 多通道传输问题如图1 - 3 所示，此时 s ：夏( 砌) = x 1 ( 砌) 葛( 舳) = x a ( k o h ) 是：夏( 七打) = ( ( 七一1 ) 向) y 2 ( k h ) = 屯( 舫) 令 z ( k h ) = i x , 7 ( 肋) ，x 2 f ( 舫) ，墨7 ( 砌) ，夏7 ( 砌) r z ( ( 女+ 1 ) ) = 中，z ( k h ) ，s = 1 ，2 ( 1 7 ) 一5 一 东北炙学硕士学位论文 第一章绪论 当开关在篷时，那么 当开关在焉时，那么 静1 = 吼= 豳1 3 多遁道传输 f i g t 3m u l t i p l e - p a c k e t 中，：一r l 墨 中：2 一l 墨 $ 1 2 1 墨 o0 西t to t 2 辔2 i 辔2 2 oo 蚤2 1 零筮 一f t 叠 0 2 墨 ， - f 2 葺 一r i 琏 - f ：墨 r 】五 - f ；墨 - f 2 岛 0 一爱2 文献 9 】针对网络控制系统中普遍存在的通讯延迟问题，对于控制器是时间驱动的， 利糟在控制器和执行器接收端设置接收缓冲嚣的方法，提出了一种延迟补偿器结构，该 结构可同时灾现对嗓声的滤波处理。 文献f 1 0 】对于控制器是事件驱动的，在即第步传感器到控制器之间的延迟未知 的惶提下，綦于动态规划和最优控制理论，褥出了馊系统均方指数稳定的控裁襻。 1 2 4 进一步研究方向 戳土鳍莱大帮蔻基予耩确数学横螫戳及延迟，j 、予一个采样时间褥到翡，这也说翻网 络控制系统现有研究方法的局限性。对于一个实际系统而言，往往襁不到精确的数学模 型，并且传输延迟大予一个采样时阕的情况憝存在晌。函魏，鲡何找到一种疆为鲁梅构 设计方案已成为当务之急。 对于网络环境下控制系统的研究，可在以下几方面深入开展： 离敬数学模型的大延迟间题：在实际的鼹络控制系统中，抟输谶迟可能会太子一个 一6 一 量! 堕堂堡主兰堡堕墨 苎二主丝 _ - _ _ - - _ - _ _ _ 。- _ _ _ - _ _ 一 采样周期，在每个采样时间内，可能收到o ，i 或大于l 的控制信号，而且会打乱原有的 次序。这使得对系统的建模以及分析变得更为困难。 网络环境下控制系统的鲁棒性问题：包括建模的不确定性、随机延迟统计分布的不 确定性和当前【网络状态q o s 的不确定性。模型预测控制是解决多变量约束控制问题的有 效方法，可以在线解出最优控制问题。因此，基于模型预测控制、鲁棒模型预测控制和 混杂系统模型预测控制理论，来解决网络环境下控制系统的鲁棒性问题，将有可能成为 一种有效的研究方法。q o s 4 e 表的是网络的运行状态，但网络的运行状态不可能精确已 知，在q o s 存在不确定性的情况下，如何设计出更为鲁棒的控制策略则是具有挑战性的 课题。 对于数据包丢失问题，多通道传输问题，延迟为随机延迟或系统有不确定性时，系 统的建模与分析控制问鼹等，都是有待进一步深入研究的课题。 随着控制系统向大型化和网络化发展，网络控制系统的故障诊断已成为一个新的研 究课题。在工程实践中，n c s 对安全性、可靠性要求很高，如果某些微小故障不能及时 排除，将造成巨大的灾难和损失。 1 3 本文的主要工作 本文以n c s 的研究现状为背景，前一部分着重介绍了网络控制系统中的基本问题 和故障诊断的方法，并对网络延时及数学模型进行了分析；后一部分重点结合网络传输 延迟问题，以基于观测器的方法对n c s 进行了故障检测，并给出了仿真实例，证明了 方法的可行性。本论文共分为以下六章： 第一章介绍了网络控制系统研究的重要意义及其现状。 第二章阐述了网络控制系统的基本问题，详细分析了网络延时，并简单介绍了故 障检测的基本概念及方法。 第三章详细介绍了单包传输带网络时延的网络控制系统的数学模型，并归纳总结 了其他更复杂情况下数学模型的构造方法。 第四章本章是全文的主要创新点，在假定的网络控制系统数学模型基础上，考虑 网络延时的影晌，构造了无记忆故障状态观测器，推导并分析了系统的残 差，利用仿真验证了此方法的正确性。 第五章带有输出传输时延的网络控制系统基于观测器的故障检测问题，介绍了一 种带补偿性的全维状态观测器，本章的创新点在于在原有模型的基础上引 入了不确定项，增加了分析问题的难度，并达到了预期目的。 第六章结束语总结了本文的研究成果并指出了设计中存在的缺点和不足，明确了 - 7 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 下一步的研究方向。 对于网络控制系统得研究目前刚刚起步，不同学者从不同的角度纷纷进行探讨，并 取得了一系列成果。网络化控制系统的故障诊断是一个新的研究课题。本文初步地探讨 了一些网络控制系统故障检测的方法，希望您读后有所帮助。 羔兰塑主主堡垒查 苎三主 璺竺垄型墨丝竺堕垒型塑垄查望整墨堕堡坌堑 第二章网络控制系统故障检测的基本问题及时 延分析 2 1 网络控制系统的基本问题 扪：n c s 本身所具有的网络诱导时延、数据包的时序错乱以及数据包丢失等特点， 使得传统的控制理论在n c s 中无法使用。要研究n c s 就必须发展与网络控制系统相适 应的控制理论与方法，而要发展与网络控制系统相适应的控制理沦与方法就必须研究 n c s 中的一些基本问题。 2 1 1 时变传输周期 传统的计算机控制系统都假设对被控对象的采样为等周期采样，这种假设使得对系 统的分析大大简化。然而，在n c s 中这种等周期采样的假设将不再成立。在n c s 中，对 采样数据的传输可以是周期的，也可以是非周期的，这将取决于控制网络的介质存取控 制协议( m e d i u m a c c e s sc o n t r o lp r o t o c 0 1 简称m a c 协议) 。m a c 协议一般分为两类：随 机存取和调度。载波侦听多路存取( c a r d e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s ) 是随机存取网络中最常 用的一种协议，而令牌环( t o k e n p a s s i n g ) 和时分多路存取( t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s 、 是调度网络中最常用的。 2 1 2 网络调度 在n c s 中，控制环的性能不仅依赖于控制算法，而且也依赖于对共享的网络资源的 调度。这里所说的网络调度发生在网络用户层，而不是发生在传输层，调度算法所关心 的是被控对象传输数据的快慢和被传输的数据所具有的优先权，而不关心被发送的数据 如何更有效地从出发点到达目的地以及当线路堵塞时应采取何种措施，这些问题在网络 层由线路优化和堵塞控制算法来考虑。另外，发生在用户层的调度控制还可以调度控制 环的采样周期和采样时刻，以尽量避免网络冲突现象的发生，从而最大限度地减少数据 的传输时延。 2 1 3 网络诱导时延 在网络环境下，多用户共享通讯线路且流量变化不规则，所以，当n c s 的传感器、 控制器和作动器通过网络交换数据时必然会导致网络诱导时延，其会降低系统的性能甚 至引起系统不稳定。网络诱导时延的存在使得系统的分析变得非常复杂，虽然时延系统 的分析和建模近年来取得很大进展，但n c s 中可能存在多种不同性质的时延( 常数、有界、 一9 一 东北大学硕士学位论文第二章 网络控制系统故障检测的基本问题及时延分析 随机时变等) ，使得现有的方法一般不能直接应用。 2 1 4 单包传输和多包传输 单包传输是指n c s q a 的传感器、控制器的一个待发送数据被捆在一个数据包中一起 发送。而多包传输是指n c s 中的传感器、控制器的一个待发送的数据被分成多个数据 包进行传输。在包交换网络( p a c k e t - s w i t c h e dn e t w o r k ) q 6 要进行多包传输，一方面是因为 单包字节大小的限制，一个数据包只能装载有限的信息；另一方面是因为n c s 的传感器 和作动器往往分布在一个很大的物理空间，要将这些数据放在一个数据包中往往是不可 能的。传统的采样控制系统都是假设被控对象的输出和控制输入是同时传递的，而这在 具有多包传输的n c s 中已不再成立。因为一个数据要分成多个数据包多次传输，这些数 据包不可能同时传递，也不可能同时到达。 2 1 5 数据包的时序错乱 在网络环境下，被传输的数据流经众多计算机和通讯设备且路径不唯一，这必然会 导致数据包的时序错乱。在n c s 中，数据包的时序错乱又分为两种情况： a 单包传输情况下，每一包数据便是一个完整的数据，此时的数据包的时序错乱是指 原来有一定先后次序的多个完整的数据在从源节点发到目标节点时，其到达的时序 与原来的时序不同。 b 多包情况下，一个数据被分成多个数据包进行传输，当这些数据包从源节点到达目 标节点时，其至达的时序与原来的时序不同。对以上两种情况，在n c s 的设计中 应分别给予相应的处理。 2 1 6 数据包丢失 在网络中由于不可避免地存在网络阻塞和连接中断，这又必然会导致数据包的丢 失。虽然大多数网络都具有重新传输的机制，但它们也只能在一个有限的时间内传输， 当超出这个时间后，数据也就会丢失。传统的点对点结构的控制系统基本上都是同步和 定时的系统，它可以对系统中参数或者未建模动态具有较强的鲁棒性，但可能完全不能 容忍数据网络的结构和参数的改变( 网络中的数据包丢失可以看成网络结构和参数的改 变) 。因此在n c s 的设计中，对数据包的丢失问题必须寻找相应的解决方法。 2 1 7 节点的驱动方式 n c s 的节点有两种驱动方式，即时钟驱动和事件驱动。n c s 的传感器一般采用时钟 驱动，传感器的时钟即为系统的时钟，而控制器和作动器既可以是时钟驱动，也可以是 事件驱动。事件驱动相比于时钟驱动具有以下优点： 一】0 一 查苎垄堂婴主芏些笙圭苎三! 婴竺丝型墨堕垫堕竺型塑垄查旦堡垒堕兰坌堑 ( 1 ) 控制器为事件驱动时，由传感器发送的数据一到达控制器便马上参加运算，避免了 控制器为时钟驱动时的数据等待被采样的时问，客观上减少了网络诱导时延： ( 2 ) 控制器为事件驱动时，避免了控制器为时钟驱动时的控制器和传感器时钟同步的困 难： ( 3 ) 控制器采用事件驱动方式，也避免了控制器为时钟驱动时容易出现的无效采样 ( v a c a n ts m n p l i n g ) $ 【| 数据丢失( m e s s a g er e j e c t i o n ) ，提高了反馈数据的利用率。很多现 场总线技术已采用了事件驱动方式，如美m e c h e l o n 公司1 9 9 3 年推出的l o n w o r k s 现场 总线技术。 2 1 8 时钟同步 在n c s 中，当控制器和作动器有一个为时钟驱动时，便存在一个时钟同步问题。时 钟同步又可分为硬件同步和软件同步。在n c s 中，由于系统的节点有可能分布在一个较 大的物理空间，用硬件同步一般比较困难，多采用软件同步的方式，一般是通过在网络 上定时广播同步时钟的方式实现。 2 2 网络控制系统中的时延分析 2 2 1n c s 中的时延组成 在n c s 中，当数据由源节点发向目标节点时，其时延由以下几部分组成： ( 1 ) 源节点和目标节点的数据处理时间。传感器、控制器和作动器的处理时间分别表示 为见( 膏) ，p o ( k ) ，p o ( k ) 。 ( 2 ) 在源节点的数据等待时间( d a t el a t e n c y ，等待网络空闲) 。传感器和控制器端的数据等 待时问分别表示为( j i ) 和r o ( k ) 。 ( 3 ) 在通讯线路中的传输时间。数据在传感器至控制器和控制器至作动器的通讯线路中 传输时间分别表示为k ( ) ，( 七) 。若被传输的数据不经过其它通讯设备而直接发 至目标节点，则该时延可忽略不计；若被传输的数据还要流经其它通讯设备后才能 到达目标节点，则该时延不可忽略。 ( 4 ) 在目标节点等待被采样时间。在控制器端和作动器端等待被采样的时间分别用 ( ) ，s o ( k ) 表示。当控制器或作动器为事件驱动时，则相应的等待被采样时间为o 。 2 2 2n c s 的时延分析 定义2 在n c s 中，将传感器采样到某数据的时刻起至该数据开始被控制器处理的 这段时间称为传感器一控制器时延。 苎苎苎登翌垡苎堡堕璺二一一一 苎三主 塑竺垄型墨丝垫壁垒型塑查查塑墨墨堕兰坌堑 定义3 在n c s 中，将控制器产生某控制信号的时刻起至该控制信号使作动器产生 相应动作的这段时间称为控制器作动器时延。 由定义2 显然可知，传感器一控制器时延可表示为t ，： g k ”= b ( 七) + 0 ( 七) + 0 ( 七) + t ( 七) 由定义3 显然可知，控制器一作动器时延可表示为r ，： f ，= 见( 女) + ( ) + 0 ( 七) + ( i ) + p 。( 七) 2 3 网络控制系统的故障检测 2 3 1 概述 在日益大型化复杂化的自动控制生产过程中，如何保证安全生产和环境保护是一个 不容忽视的问题。生产过程中的故障不仅影响产品的质量和产量，而且可能发展成严重 的人身、设备事故和环境污染。应运而生的控制系统的故障检测与诊断技术( f a u l t d e t e c t i o na n d d i a g n o s i s f d d ) 为提高复杂控制系统的安全性和可靠性提供了一项重要的 途径。 自动控制系统的故障诊断技术包括故障检测、故障分离和故障辨识等。故障诊断能 够判断故障的发生与否、发生时刻，并确定故障的类型和位置，进一步在分离出故障后 确定故障的大小和时变特性。 基于解析冗余的故障诊断技术起源于1 9 7 1 年麻省理工学院的b e a r d 发表的论文以 及m e h r a 和p e s c h o n 发表在a u t o m a t i c a 上的论文。b e a r d 首先提出了用解析冗余代替硬件冗 余，并通过系统的自组织使系统闭环稳定，通过比较观测器的输出得到系统故障信息的 新思想，标志着这门技术的开端。之后，在1 9 7 6 年，w i l l s k y 在a u t o m a t i c a 上发表了第一 篇f d d 方面的综述文章 1 2 】。h i m m e l b l a u 于1 9 7 8 年出版了国际上第一本f d d 方面的学术专 著。f d d 技术蓬勃发展起来。我国是在8 0 年代开始开展的f d d 方面的研究。 国际上，领导该学科发展的是1 9 9 3 年成立的i f a c 技术过程的故障诊断与安全性技术 委员会，从1 9 9 1 年起，i f a c 每三年定期召开f d d 方面的国际专题学术会议。在我国，自 动化学会也于1 9 9 7 年批准成立中国自动化学会技术过程的故障诊断与安全性专业委员 会，并于1 9 9 9 年5 月在清华大学召开了首届全国技术过程的故障诊断与安全性学术会谢j 4 j 。 f d d 是- - i 交叉性的综合技术。它涉及多门学科，包括现代控制理论、信号处理、 模式识别、人工智能、人工神经网络、计算机工程、模糊数学、数理统计等。2 0 多年来， f d d 得到了迅猛的发展，并应用了多种新的理论与方法，如：小波变换、神经网络、模 一1 2 东北大学硕士学位论文 第二章网络控制系统故障检测的基本问题及时延分析 糊系统、遗传算法、模式识别、自适应理论和非线性理论等等。 2 3 2 故障检测技术简介 1 故障检测的含义 故障系指系统所出现的一些异常现象导致其难以完成所规定的功能。故障检测就是 指当控制系统发生故障时可以及时发现并报警。通常任何故障检测子系统都不可能百分 之百地f 确检测出控制系统的各种故障。因此提高故障的正确检测率，降低故障的漏报 率( 发生故障没报警) 和误报率( 未发生故障反而报警) 一直是故障检测与诊断领域的 前沿课题。 2 故障检测的分类 按故障部件划分，控制系统的主要故障有： 1 ) 被控过程原部件故障 2 ) 传感器故障 3 ) 执行器故障 4 ) a d ，d a 等计算机接口故障，计算机硬件故障 5 ) 控制器故障 按故障类型可划分为： 1 ) 脉冲型故障 2 ) 阶跃型故障 3 ) 缓慢漂移型故障 传感器故障与执行器故障是：传感器和执行器的输出出现突变型或缓变型偏差。传 感器与执行器增益逐渐衰减。元部件参数出现阶跃型跳变或元部件参数有缓慢漂移。 2 3 3 网络控制系统故障诊断方法分类 故障诊断与检测的方法基本上可以分为三类： 基于数学模型的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法。 f 一1 基于数学模型的方法 此类方法发展最早，需要建立被诊断对象的数学模型。它利用检测信号或估计出系 统的物理参数，或在噪声背景下重构系统的状态，通过参数变化和故障问的联系，对状 态估计残差序列的检验和识别等技术对故障进行预报、定位、定量和定因。因此，它又 可以分为参数估计法和状态估计法两种。当参数有显著变化时，可利用已有的多种参数 估计方法，根据参数变化的统计性特性来检测故障的发生。当被控过程状态直接反映系 一1 3 一 东北大学硕士学位论文第二章 网络控制系统故障检测的基本问题及时延分析 统运行状态，且可观或部分可观，则可以采用状态估计法的状态观测器或滤波器来进行 故障诊断。这类方法虽然综合利用了系统的结构、功能、行为信息，但是由于很多非线 性系统的数学模型难以建立，成为了制约此类方法发展的因素。 ( 二) 基于信号处理的方法 这类方法不需建立被诊断对象的数学模型，因而适用性较强。它基于信号分析理论， 提供系统时域和频域中较深层次的多种特征向量，利用这些特征向量与系统故障源之间 的联系，对系统信号进行分析和处理，从而判断故障源位置。它又可分为基于小波变换 的方法、基于信息校核的方法、基于信号模态估计的方法。虽然它适用于线性系统和非 线性系统，但是它仅仅是挖掘了系统信号中包含的信息，对于系统结构的信息并没有较 好地利用。 f 三1 基于知识的方法 8 0 年代后期，出现了这类方法。它既不需要被诊断对象的数学模型，又引入了被 诊断系统的大量信息，因此有着很强的生命力。基于知识的方法又为基于专家系统的方 法、基于神经网络的方法、基于定性模型的方法、基予模糊的方法、基于模式识别的方 法和基于故障树的方法等多种类型。它们除了开发、利用了启发性知识，并将启发性知 识中的大量信息用于故障诊断外，还引入了学习机制和人机协作的工作方式，因此不但 可以对故障进行预测和定位，还能够对故障定量、定因，使诊断的决策水平大大地提高了。 2 3 4 各类故障诊断方法的研究现状 根据以上分类方法，分别讨论各类故障诊断方法研究现状如下： ( 一) 基于数学模型的方法 基于数学模型的方法首先要建立起系统动态数学模型，根据对数学模型处理的方式 不同，又分为参数估计法和状态估计法两种。 ( 1 ) 参数估计法 参数估计法根据模型参数及相应的物理参数的变化来检测和分离故障。这种方法不 需计算残差序列，且较利于故障的分离，因此可以