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通信受限约束和不确定性因素下传感网络系统控制研究

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通信受限约束和不确定性因素下传感网络系统控制研究

作者：李庆南京财经大学

学位级别：硕士

网络控制系统(NCSs)又称集成通信系统,是指通过网络形成闭环的反馈控制系统.在网络控制系统中,无线传感器网络系统(简称SNSs)是一类更一般的控制系统.SNSs由一系列传感器节点组成,每个传感器节点不仅可以从自身接收信息,还可以根据给定... 详细信息

网络控制系统(NCSs)又称集成通信系统,是指通过网络形成闭环的反馈控制系统.在网络控制系统中,无线传感器网络系统(简称SNSs)是一类更一般的控制系统.SNSs由一系列传感器节点组成,每个传感器节点不仅可以从自身接收信息,还可以根据给定的传感拓扑结构从其邻居节点接收信息.此外,在实际系统中一般无法获得对系统状态的完整测量.近年来,只需要部分状态变量的控制器设计引起了很多关注.因此,将基于观测器的控制器研究拓展到传感网络系统中.另一方面,由于网络延迟、带宽约束、硬件不良等原因,通信受限问题在研究中不可忽略.因此,通信约束下的传感网络系统中基于观测器的控制器研究具有十分重要的意义.本文以传感器网络系统为基础,对通信受限约束下基于观测器的控制器问题进行了系统的研究.主要研究内容包括以下三方面:(1)研究了分布式混合事件触发机制和输入量化条件下传感器网络系统中基于观测器的控制反馈问题.首先为了估计难以测量的状态变量,基于多信道耦合传输信号提出了一种新型观测器模型.其次,为了在提高系统性能和节省网络资源中获取平衡,采用了一种伴有延迟的分布式混合事件触发机制.此外,利用李雅普诺夫泛函理论和随机稳定性分析理论,给出了保证系统随机渐近稳定的充分条件.最后,通过一个数值仿真例子验证了该方法的有效性.(2)考虑了分布式自适应事件触发机制和多重网络攻击,研究了随机饱和传感网络系统框架中Markov跳跃线性系统的输出反馈控制器问题.首先,针对网络系统中受控模型和传感网络连接拓扑随机切换问题,利用了Markov跳跃系统进行建模.其次,引入了分布式自适应事件触发机制和随机网络攻击,建立了基于观测器的控制器模型.接下来,利用李雅普诺夫泛函理论给出了使得闭合回路系统随机渐近稳定的充分条件.进一步,借助矩阵的奇异值分解求解LMIs得到观测器及控制器增益.最后,提出了一个仿真实例用以验证设计可行性.(3)研究了一类具有分布式事件触发机制的T-S模糊传感网络系统的非脆性控制问题.首先,考虑了分布式事件触发和增益不确定性的影响,构造了一个基于非脆性观测器的控制闭环误差动态系统.然后运用李雅普诺夫泛函理论得到了确保系统渐近稳定的充分条件.在此基础上,求解LMIs得到观测器及控制器增益矩阵.最后通过一个数值仿真例子验证了模型的有效性.

关键词：传感器网络系统事件触发机制网络攻击量化饱和 T-S模糊系统

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角速度受限下航天器姿态机动事件触发控制

中国科学：信息科学 2022年第3期52卷 506-520页

作者：石永霞胡庆雷邵小东北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学杭州创新研究院(余杭) 杭州311100 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

针对角速度受限和通信资源有限的航天器姿态系统,考虑转动惯量难以精确获得并且存在外部干扰的情况,提出一种基于神经网络的自适应事件触发姿态机动控制算法.该算法首先基于预设性能技术,将角速度受限约束转换为性能边界约束,进一步通... 详细信息

针对角速度受限和通信资源有限的航天器姿态系统,考虑转动惯量难以精确获得并且存在外部干扰的情况,提出一种基于神经网络的自适应事件触发姿态机动控制算法.该算法首先基于预设性能技术,将角速度受限约束转换为性能边界约束,进一步通过误差转换,建立姿态系统的等效误差模型,将存在角速度约束的航天器姿态系统机动控制问题巧妙地转化为无约束误差系统的状态有界稳定控制问题;然后,选用径向基神经网络设计自适应律,在线逼近系统中由未知转动惯量带来的不确定性项.与此同时,考虑到星载通信资源有限的问题,通过建立触发控制信号与实时控制信号之间的显式关系,设计一个统一的时变事件触发机制,当触发条件满足时同步更新控制器和自适应律,大大减少了控制器和执行器之间频繁的网络信号传输.此外,触发机制中时变项的引入严格保证了触发控制无Zeno现象发生.最后,仿真结果表明了所提出的姿态控制算法不但能够保证航天器高精度、高稳定度、高鲁棒性地完成指定姿态机动任务,而且可以减少大约97.50%的控制信号更新,这大大缓解了航天器的通信负担.

关键词：航天器角速度受限预设性能控制通信资源有限事件触发机制

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事件触发控制多智能体网络点对点一致性

计算机工程与应用 2018年第17期54卷 50-55页

作者：李玲胡爱花高海云江南大学理学院江苏无锡214122

针对具有领导层与跟随者层的多智能体网络点对点的一致性问题进行了研究。为了有效降低多智能体一致性控制协议的更新频率,同时为避免芝诺现象的产生,采用了周期采样与事件触发控制相结合的方案,实现了多智能体网络的点对点一致性。进一... 详细信息

针对具有领导层与跟随者层的多智能体网络点对点的一致性问题进行了研究。为了有效降低多智能体一致性控制协议的更新频率,同时为避免芝诺现象的产生,采用了周期采样与事件触发控制相结合的方案,实现了多智能体网络的点对点一致性。进一步,根据李雅普诺夫稳定性理论,通过建立线性矩阵不等式,给出了领导层与跟随者层网络达到点对点一致性的充分条件。最后,数值仿真进一步验证了理论结果的有效性。

关键词：多智能体网络周期采样事件触发机制一致性线性矩阵不等式

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事件触发下随机系统的异步容错控制方法研究

事件触发下随机系统的异步容错控制方法研究

作者：王爱民杭州电子科技大学

学位级别：硕士

在研究马尔科夫跳变随机系统的相关控制问题时,执行器故障、外界干扰与时滞的存在都有可能造成系统的模态信息在传输过程中的流失,不完全的系统模态信息的传输会导致控制器甚至执行器的模态与系统的模态异步运行。本论文中讨论的系统与... 详细信息

在研究马尔科夫跳变随机系统的相关控制问题时,执行器故障、外界干扰与时滞的存在都有可能造成系统的模态信息在传输过程中的流失,不完全的系统模态信息的传输会导致控制器甚至执行器的模态与系统的模态异步运行。本论文中讨论的系统与控制器甚至执行器之间的模态异步现象用隐马尔科夫模型来进行描述。同时,在实际控制系统中,系统组件之间(如传感器、控制器、执行器之间)的信息交互与传输往往是通过网络来实现的,因此系统发生诸如丢包、网络诱导时滞甚至信道拥塞等网络问题是十分常见且不可避免的,这些问题的出现会导致有限的网络资源不能被充分地利用。为了增大网络资源利用率并避免Zeno行为的发生,本论文设计了一种模态依赖的离散事件触发机制。此外,由于设备老化或一些不可预知的外部环境影响,执行器可能会发生使系统性能下降甚至使系统崩溃的一类甚至多类型的故障,这些执行器故障类型包括部分失效故障、停机故障、偏移故障和卡死故障等。容错控制方法能在有效处理故障对系统影响的同时保持系统的稳定性。因此,针对马尔科夫跳变随机系统,基于隐马尔科夫模型和模态依赖的事件触发机制研究异步容错控制器的设计方法具有重要的理论研究意义和实际应用价值。本文针对马尔科夫跳变随机系统,通过采用隐马尔科夫模型、自适应控制以及线性矩阵不等式等理论与方法,分析了系统的稳定性。主要研究内容如下:(1)研究了事件触发机制下离散马尔科夫跳变系统的异步H容错控制问题。首先,系统、控制器与执行器三者模态信息的异步问题由两个相应的隐马尔科夫模型来表示,基于此分别设计了模态依赖控制器和模态依赖执行器。为了进一步提高网络资源的利用效率,设计了依赖系统模态的离散事件触发机制。最后,通过建立模态依赖的Lyapunov-Krasovskii泛函,得到了保证闭环系统是具有H扰动抑制性能的随机均方稳定的充分条件。(2)研究了自适应事件触发机制下遭受多类型执行器故障(包括部分失效故障和卡死故障)的连续马尔科夫跳变系统的异步自适应容错控制问题。首先,为了限制冗余资源进入网络,增大网络资源利用率,采用了一种自适应事件触发采样控制方法。进而,通过将未知的执行器卡死故障和未知外部干扰耦合成为一个增广干扰,可同时在线估计卡死故障和外部干扰的上下界。最后,基于触发的状态和估计值设计自适应事件触发异步容错控制器能在削弱卡死故障、部分失效故障以及外部扰动对系统影响的同时保证闭环系统的一致终极有界性。(3)研究了一类网络化随机无人船系统的异步自适应容错控制方法。针对该系统,首先研究了包括未知的部分失效故障和偏移故障的多类型执行器故障及外部扰动的估计问题。为了适应具有随机切换特性的无人船系统的变化,提出了自适应事件触发机制。随后,通过引入模态依赖的Lyapunov-Krasovskii泛函,提出了一种异步自适应容错控制方法,在有效补偿故障和外界干扰的基础上保证闭环系统的稳定性并通过仿真验证了所设计方法的有效性。

关键词：马尔科夫跳变系统网络化控制系统隐马尔科夫模型异步容错控制事件触发机制

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基于事件触发与网络攻击的非线性系统的研究

基于事件触发与网络攻击的非线性系统的研究

作者：陈玲琦上海工程技术大学

学位级别：硕士

近几十年来,由于神经网络(Neural Networks,NNs)具有自适应、抗干扰等优势,在降雨预报、模式识别、优化系统等领域的成功应用,引起了学者们的研究兴趣,并且影响着各行各业。对于本文研究的非线性系统,是由传感器,控制器,执行器和网络等... 详细信息

近几十年来,由于神经网络(Neural Networks,NNs)具有自适应、抗干扰等优势,在降雨预报、模式识别、优化系统等领域的成功应用,引起了学者们的研究兴趣,并且影响着各行各业。对于本文研究的非线性系统,是由传感器,控制器,执行器和网络等组成的网络控制系统(Networked Control Systems,NCSs)。由于通信冗余,带宽浪费以及各种各样的外部攻击,导致系统稳定性受到影响,这对于国家和人民的财产安全都是巨大的隐患,世界各国逐渐重视这些问题,并且寻找解决方案。因此有必要设计合适的控制器来稳定神经网络和非线性系统。首先,网络控制系统内部有许多未解决的问题。针对带宽造成的网络拥塞问题,如何使网络带宽的负载充分发挥,以及冗余数据的传输量被减少,对系统的传输效率以及性能都有极大的改善作用。同时,由于神经网络的延迟以及系统中各个器件之间的通信延迟等多时滞问题,对系统性能的影响不能小觑,因此,如何将其危害降到最低至关重要。其次,除了网络控制系统本身的内部问题,危害最大的外部因素是网络攻击。网络攻击的形式五花八门,危害最为严重的主要是欺骗型网络攻击(Deception Attacks)和拒绝型网络攻击(Denial of Service,Do S)。针对网络攻击,如何设计有针对性的控制器,使得控制系统依然能够维持良好的鲁棒性,具有重要的实际意义。针对以上情况,以及面临的各种困难,本文设计了合理的控制器,来解决上述问题,展开内容如下:(1)离散型事件触发方案被嵌入到控制系统中,系统中的每一个传感器,由该离散型触发方案来确定本地传输的信号,冗余数据量的传输被大幅度减少,神经网络的更新参数同时降低。将随机网络攻击建模为一类非线性函数,网络可靠性得到保障。结合以上方式对控制系统进行重新构造,运用李雅普诺夫泛函(Lyapunov-Krasovskii Function,LKF),Jenson不等式等对系统的稳定性进行验证。(2)针对累积的动态网络攻击场景,对随机攻击函数进行重构,不仅提出满足约束条件的积分函数,而且将其约束性进行降低,考虑了多种时诱因素,增加多时滞到系统中,进而应用非线性处理技术等证明了控制器的稳定性。(3)结合事件触发机制误差的特点,触发方案被重新构造,基于自适应事件触发机制和两类随机网络攻击函数建立了闭环控制系统。引进随机参数,网络攻击可以随时发生且相互进行切换,在多种时延和自适应条件的思考下,一个增强的LKF被构造,结合涡轮机系统对控制理论进行验证。

关键词：网络控制系统事件触发机制网络攻击神经网络李雅普诺夫泛函非线性处理技术

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基于事件触发的网络化系统的几种控制方法

基于事件触发的网络化系统的几种控制方法

作者：周靖峰江南大学

学位级别：硕士

近年来,随着科学技术的不断进步,网络控制系统愈加受到人们的关注。网络控制系统(NCSs)可以通过通信网络实现物理器件间远距离的信息交流,但它也会受到通信网络缺点的限制,如何设计控制方案来减轻相关因素的影响是值得关注的。本文主要... 详细信息

近年来,随着科学技术的不断进步,网络控制系统愈加受到人们的关注。网络控制系统(NCSs)可以通过通信网络实现物理器件间远距离的信息交流,但它也会受到通信网络缺点的限制,如何设计控制方案来减轻相关因素的影响是值得关注的。本文主要用T-S(Takagi-Sugeno)模糊模型和马尔科夫过程对不同情况下具有事件触发机制(ETM)的网络控制系统进行建模,使用相应的控制方法来保证系统的稳定性并给出控制器的设计方案。通过使用线性矩阵不等式技术(LMI)和Lyapunov稳定性理论对系统进行稳定性分析并以线性矩阵不等式的形式给出了系统稳定的充分条件。全文主要内容如下:第一章概述了网络控制系统和事件触发机制的研究背景及意义,分析了他们的研究现状,并且介绍了本文的主要内容。第二章首先介绍了一些控制基础理论,特别是Lyapunov稳定性理论。其次介绍了模糊基础理论,主要是本文研究内容所需的T-S模糊理论。最后介绍了马尔科夫过程相关基础知识。这些理论知识为后文研究奠定了基础,能让我们更好地研究网络控制系统。第三章针对一类具有时变延迟的网络控制系统,给出了H量化控制方案。首先,用马尔科夫随机过程对具有时变延迟的网络控制系统进行建模,在此基础上设计了离散事件触发机制和对数量化器。利用Lyapunov稳定性理论和LMI分析系统的随机稳定性,并以线性矩阵不等式的形式给出了系统随机稳定的充分条件及H量化控制器的设计方法。最后通过仿真实验验证方法的有效性。第四章针对一类具有数据包丢失的网络控制系统,给出了模糊预测控制方案。首先,采用T-S模糊模型对具有数据包丢失的网络控制系统进行建模,在此基础上设计了动态事件触发机制和预测器。利用Lyapunov稳定性理论和LMI分析了系统稳定性,并以线性矩阵不等式的形式给出了系统稳定的充分条件及模糊预测控制器设计方法。最后给出仿真实验说明方法的可行性和有效性。第五章对本文工作进行了总结,并说明有待解决的问题和展望未来的研究方向。

关键词：网络控制系统事件触发机制 T-S模糊模型马尔科夫过程

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基于事件触发的跳变系统控制与滤波

基于事件触发的跳变系统控制与滤波

作者：薛冰杭州电子科技大学

学位级别：硕士

跳变系统作为一种特殊类型的混杂系统,因为其模型可以广泛应用在各种现实场景中,从而受到了研究者们的广泛关注。而作为跳变系统的典型代表—马尔可夫跳变系统/半马尔可夫系统在现代航空航天、工业控制、市场经济、无线电网络等领域已... 详细信息

跳变系统作为一种特殊类型的混杂系统,因为其模型可以广泛应用在各种现实场景中,从而受到了研究者们的广泛关注。而作为跳变系统的典型代表—马尔可夫跳变系统/半马尔可夫系统在现代航空航天、工业控制、市场经济、无线电网络等领域已经有了非常广泛的实际应用。跳变系统的控制一直是该领域的热点研究方向,但由于非线性干扰、网络攻击等因素的影响,跳变系统的控制难度加大。另外,考虑到在网络环境下的跳变系统控制会受到网络带宽的限制,如何在节约网络资源的同时达到预期的控制效果成为研究的一个热点问题,因此基于事件触发机制的跳变系统一致性控制与滤波既具有重要的理论价值又具有一定的实际意义。本文研究马尔可夫/半马尔可夫跳变系统的控制与滤波,主要内容包括以下几个部分:第一部分是绪论,主要介绍跳变系统、协同控制、跳变系统滤波、网络攻击以及事件触发机制的背景、意义以及国内外研究现状。第二部分研究基于自适应事件触发机制,并且具有执行器故障、外部干扰的半马尔可夫跳变系统的领导跟随一致性控制问题。首先构造Lyapunov-Krasovskii泛函,然后利用时滞分段分析、凸优化等方法给出了保证系统稳定的充分条件,并且给出了控制器的设计方法。第三部分讨论了一类半马尔可夫跳变系统在事件触发机制下的分布式H滤波问题,构建滤波误差系统时,考虑了时延、数据量化处理、网络攻击等情况。通过构造Lyapunov-Krasovskii泛函,利用凸优化等方法分析了滤波误差系统的稳定性,并且提出了一种分布式H滤波器设计方法。第四部分针对带有非线性和时滞的离散马尔可夫跳变系统,研究了与其相关的l-l滤波器设计问题。出于节约网络资源的需要,本部分将会采用动态事件触发机制。在构造滤波误差系统时,考虑到了输出测量丢失的情况。通过构造Lyapunov-Krasovskii泛函,利用凸优化处理方法,得到了保证带l-l性能指标的滤波误差系统随机稳定的充分条件,并且提出了一种l-l滤波器设计方法。第五部分是总结与展望,总结了本文主要研究结果,并对未来需要进一步研究的科研工作进行展望。

关键词：跳变系统协同控制 H∞滤波网络攻击事件触发机制

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电力系统的分布式故障诊断

电力系统的分布式故障诊断

作者：梁利梅山东大学

学位级别：硕士

随着电网的日益复杂和用电需求的日益增加,对于电力企业来说,保证电网的安全稳定运行是其核心任务之一。在电网的日常运行中,为了避免损坏电力设施,必须平衡电力供需,使频率偏差保持在一个小范围内。然而,电力需求的不断变化以及目前向... 详细信息

随着电网的日益复杂和用电需求的日益增加,对于电力企业来说,保证电网的安全稳定运行是其核心任务之一。在电网的日常运行中,为了避免损坏电力设施,必须平衡电力供需,使频率偏差保持在一个小范围内。然而,电力需求的不断变化以及目前向更容易出现波动的可再生能源发电的过渡对电网的运作构成了挑战。尽管电力系统的可靠性已经随着电力技术的发展有了明显的提高,但是电网故障仍然是难以避免的。因此,如何设计具有良好性能的故障诊断方案,及时准确地诊断出发生在电网中的故障,减少因故障产生的损失具有重要的实际意义。值得注意的是,尽管电力系统故障诊断方案的设计在过去几十年中受到了广泛的关注,但大多数基于模型的故障诊断方案都是集中式的。在集中式算法中,所有度量都可以用于检测和隔离发生在系统任何部分的故障。然而,作为大规模空间分布式系统,电力网络某一单元并不能获得所有单元的测量值。因此,传统的基于模型的故障诊断方案潜在的集中化结构限制了其在大规模互联电力系统中的应用。对于大型电力系统,分布式故障诊断方案更适合。在此背景下,本文针对我国分布式发电系统提出了一种分布式的故障诊断方法。考虑到加性故障和噪声对发电系统的影响,为具有线性动力学的各发电机建立了一般化模型。然后,利用邻居发电机的信息,构造了一组龙伯格观测器,实现了发电系统的局部估计。根据估计的状态值,设计了局部残差生成器。为了保证残差的故障敏感性和噪声鲁棒性,本文通过求解相应的H∞优化问题确定了每个残差生成器的参数。接着,通过切比雪夫定理完成了故障检测阈值的设计,当局部残差超过相应的阈值时,识别出该发电机有故障发生,实现了故障诊断。最后,通过算例验证了所提方案的有效性。考虑到LCL滤波器在大型光伏并网电站中对过滤谐波起着关键作用,本文针对连接逆变器和公共电网的LCL滤波器提出了一种分布式协同故障诊断方法。为了减少由于连续的信息传输而产生的通信损耗,引入了一种事件触发机制来确定是否传输当前测量值,解决了协同估计器的设计问题。接着,考虑到系统中未知干扰和故障以及事件触发引起的传输误差的影响,提出了一种最优的残差生成器,以实现残差在故障敏感性和未知干扰鲁棒性之间的最佳权衡。与此同时,考虑到未知干扰和事件触发传输误差对残差的影响,设计残差评估器以提供一个时变阈值。最后,通过一个算例说明了所提出的故障诊断方案的适用性。最后对全文做了总结,并基于本文所述的研究内容进行了展望。

关键词：电力系统分布式故障诊断残差生成器阈值事件触发机制

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无线信道攻击下的传感器网络分布式估计研究

无线信道攻击下的传感器网络分布式估计研究

作者：黄大林东南大学

学位级别：硕士

无线传感器由于其体积小、成本低、自组织并且可以感知、处理和发送数据等优点让它在社会生活的各个行业都备受欢迎。无论是军事国防的高端机密领域,还是与我们生活息息相关的智能家居、医学健康等领域,都可以看到无线传感器网络的身影... 详细信息

无线传感器由于其体积小、成本低、自组织并且可以感知、处理和发送数据等优点让它在社会生活的各个行业都备受欢迎。无论是军事国防的高端机密领域,还是与我们生活息息相关的智能家居、医学健康等领域,都可以看到无线传感器网络的身影。为了去中心化数据处理,基于传感器网络和信息融合的分布式估计算法发展迅速,在对目标的定位、监测和追踪方面的应用极为广泛,是现阶段研究的热点。然而,随着网络技术的高速发展,随之而来的网络安全问题也日益严重,各种攻击无时不刻都在威胁着系统的安全。围绕传感器网络攻击问题,本文研究两种不同信道攻击下的分布式安全估计算法。主要研究内容如下:针对无线传感器网络中传感器能量受限和网络信道中受到随机虚假数据注入攻击的问题,设计了一种新的事件触发机制,利用卡方检测构建了攻击检测器,结合信息融合技术,提出了基于事件触发和攻击检测的分布式融合安全估计算法,并通过理论证明了传输数据信息矩阵的有界性和系统的均方根误差的收敛性,给出了相关参数的设计。最后通过数值仿真验证了该算法的优越性,在保证系统性能优化的同时显示了攻击检测机制的有效性和准确性。针对无线传感器网络中传感器的能量受限和网络信道中的拒绝服务攻击的问题,结合通信反馈机制,构造了基于确认字符(ACK)的事件触发机制,在传输数据丢包的情况下,设计了数据补偿机制,进而结合信息融合技术提出了基于ACK事件触发和数据补偿的分布式融合安全估计算法,并运用理论证明了传输数据信息矩阵的有界性和给出了系统的稳定性条件,以及相关的参数设计。最后通过数值仿真验证了该算法的有效性,以及系统性能的优越性。

关键词：无线传感器网络事件触发机制信息融合分布式估计虚假数据注入攻击拒绝服务攻击