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具有丢包、通讯约束的非线性时滞网络化控制系统鲁棒故障检测

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控制与决策 2014年第11期29卷 2048-2054页

作者：罗小元袁园张玉燕关新平燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004 上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240

针对具有Lipschitz非线性时滞的网络化控制系统,研究系统具有丢包和通讯约束的故障检测问题.利用线性矩阵不等式设计故障检测滤波器,提出一种新的阈值计算方法,使得当系统在外部干扰情况下发生故障时残差评价函数能够迅速超出所设定的阈... 详细信息

针对具有Lipschitz非线性时滞的网络化控制系统,研究系统具有丢包和通讯约束的故障检测问题.利用线性矩阵不等式设计故障检测滤波器,提出一种新的阈值计算方法,使得当系统在外部干扰情况下发生故障时残差评价函数能够迅速超出所设定的阈值,从而检测出执行器故障并使残差误差最小.最后通过仿真研究验证了所提出的方法能够更快速地检测出故障.

关键词：非线性网络控制系统丢包通讯约束故障检测滤波器

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通讯约束下量化估计系统的设计与分析

通讯约束下量化估计系统的设计与分析

作者：沈英浙江大学

学位级别：硕士

随着通信技术和计算机技术的飞速发展,复杂控制系统、远程控制系统、网络化控制系统在工业控制、航空航天、机器人等领域得到了广泛的应用。此类系统中,承担局部子系统或回路数据传输的信道往往存在通讯能力方面的约束,如带宽约束、接... 详细信息

随着通信技术和计算机技术的飞速发展,复杂控制系统、远程控制系统、网络化控制系统在工业控制、航空航天、机器人等领域得到了广泛的应用。此类系统中,承担局部子系统或回路数据传输的信道往往存在通讯能力方面的约束,如带宽约束、接入约束等,这给控制系统的分析与设计带来了新的问题。本文从信息论的角度考察通讯约束下的控制系统的状态估计和在线参数辨识,研究状态预处理、量化的设计问题,以及系统的状态可估计性、参数可辨识性和随机能观性的分析问题。经理论分析和仿真研究,主要获得了以下几方面的研究成果：（1）面向通讯约束下的状态估计,针对两类系统结构研究了状态预处理及量化设计问题。一、针对信道存在同时传输数据的维数限制和通讯功率约束,基于最小误差熵估计准则和Kalman估计算法,得出了状态降维方法。二、在传输数据的维数限制和通讯功率约束下,同时考虑被传输数据的量化对系统的影响,基于最小均方估计误差准则和MLQ-KF量化估计算法,对状态降维矩阵和量化器进行联合优化设计。分析和仿真结果表明,上述设计方法均具有满意的估计性能。（2）从信息论的角度讨论了三类通讯约束下系统的可估计性问题：一般功率约束系统、输出量化系统以及新息量化系统。基于前人对可估计性的定义和研究成果,考察系统的内在属性,给出了一般系统可估计性的另一种信息论定义;从该定义出发,分析三类系统的可估计性：针对第一类系统,分析得出了系统状态估计对于传输功率的要求;针对第二、三类系统,得出了状态可估计性判定矩阵——Gram矩阵,解析分析的结果与直觉性的理解十分吻合,且分析结论还表明只要合理设计量化器,即使是1比特的量化器也可保持原系统的可估计性,为量化器和估计算法的设计提供了依据。进一步的收敛性分析表明,当各量化区间趋于零时,输出量化和新息量化系统的可估计性Gram矩阵均将收敛至非量化系统的Gram矩阵。（3）运用信息测度考察了量化系统的随机能观性问题,包括输出量化和新息量化系统。首先运用信息论方法讨论了具有离散随机初始状态的线性系统的能观性,并得到了系统能观的信息论结论;在已有研究成果的基础之上,基于信息测度针对一般系统给出了随机能观性的定义;采用与可估计性类似的分析方法,分析量化系统的随机能观性,得出了量化系统随机能观性Gram矩阵,该矩阵与量化系统可估计性的Gram矩阵的结构一致,所反映的问题以及收敛性也十分相似。（4）基于上述分析,考察了随机自治系统可估计性与随机能观性之间的关系,包括量化系统和非量化系统,并得出了相应的结论：对于非量化系统,若系统转移矩阵非奇异,则定常自治系统的可估计性和随机能观性是等价的,而时变系统可估计可推出该系统随机能观,反之并不成立;对于量化系统,也有类似的结论,不同的是,定常系统的等价条件为系统转移矩阵非奇异,同时要求Gram矩阵的权重系数均不等于零。（5）以时变系统的自适应控制设计为目标,在上述可估计性研究成果的基础上,进一步研究了量化系统的参数可辨识性问题。通过将参数变化为Gauss-Markov过程的线性系统转化为状态空间模型,把参数可辨识性问题转化为状态可估计性问题;从信息论角度给出了量化系统的参数可辨识性定义,进而分析了量化系统的参数可辨识性,得出了量化系统参数可辨识的判定矩阵一一可辨识性Gram矩阵;量化系统参数可辨识性Gram矩阵的收敛性也得到了进一步的论证。研究表明,针对通讯约束系统的最小误差熵降维方法、降维和量化联合优化方法均具有良好的估计性能;带宽约束、传输功率约束等通讯约束有可能会改变系统的可估计性、可辨识性、随机能观性等性能,然而只要合理设计系统（如,量化器等）,系统的这些性能可得以保持,为网络化控制系统的设计提供了一定的理论依据。

关键词：通讯约束量化控制系统联合优化信息论方法状态降维与估计可估计性随机能观性可辨识性

通讯约束下孤岛微电网分布式储能系统控制策略研究

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通讯约束下孤岛微电网分布式储能系统控制策略研究

作者：何秋睿重庆大学

学位级别：硕士

随着科技飞速发展,环境污染和能源枯竭问题越发严峻,为满足日益增长的发电需求并减少环境污染,微电网的概念应运而生。然而,以分布式电源为发电端的微电网有波动性和间歇性,为提高电能质量和系统可靠性,储能系统因对微电网运行和控制的... 详细信息

随着科技飞速发展,环境污染和能源枯竭问题越发严峻,为满足日益增长的发电需求并减少环境污染,微电网的概念应运而生。然而,以分布式电源为发电端的微电网有波动性和间歇性,为提高电能质量和系统可靠性,储能系统因对微电网运行和控制的高灵活性而受到关注,且多储能系统更是当下应用及研究的热点和难点。容量作为储能系统独特且重要的物理量,当储能系统的容量较小时,应该考虑如何联合多个储能系统同步充放电;当储能系统的容量足够大(在较长时间内不出现过充过放情况)时,应该考虑如何使多个储能系统经济地运行。为了提高储能系统运行的经济性和稳定性并使储能系统有更强的鲁棒性,本文将采用分层结构并考虑实际系统中时延及时变拓扑的通讯约束,对保证小容量储能系统的能量均衡问题和大容量储能系统的经济运行问题进行了研究,给出分布式储能系统能量均衡控制方法与功率优化分配的控制方法。本文的主要研究内容如下:(1)首先给出储能装置的模型,分析其充放电原理与母线的接口电路以及实现功率补偿的方法。然后设计初级控制层,其下垂控制器和电压电流双闭环控制器实现了输出电压幅值和频率的稳定及功率均分的目标。(2)针对多储能系统的能量均衡问题及输出电压和频率偏差问题提出一种新的协调控制策略。首先利用通讯时延和时变拓扑的分布式一致性方法设计二级控制层,恢复初级控制层造成储能系统输出电压幅值和频率的偏差。然后考虑外部辅助能源可与本地储能装置进行能量交换以及通讯网络存在时延和时变拓扑的情形,提出一种可快速实现能量均衡的分布式控制策略;进一步考虑无外部辅助能源的情形,即利用各储能装置自调节方法,基于改进下垂控制和通讯约束下的分布式观测器方法提出了各储能系统自调节的能量均衡控制策略。理论分析和仿真实验验证了所提出控制策略的有效性。(3)针对大容量储能系统的经济运行问题,考虑多储能系统供需约束和功率输出约束,加入三级控制层给出基于通讯时延和时变拓扑下分布式储能系统的经济调度控制策略,理论上分析了所提出算法的收敛性能,仿真和实验验证了所提出控制策略的有效性。

关键词：孤岛微电网通讯约束分布式储能系统能量均衡经济调度

具有通讯约束的线性状态反馈控制系统的可控性(英文)

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林业科学 2003年第6期39卷 131-135页

作者：周玉成程放安源陈永平赵辉中国林业科学研究院木材工业研究所北京100091

在木材工业工程系统中 ,观测向量的全部对其控制器来说 ,经常不是可用的 ;而用伴随迟滞和失真的多信道方法传送时 ,又要受到比特率的约束。近年来 ,许多学者一直在寻求解决方案 ,但是到目前为止这个问题仍然没有得到很好的解决 ,这已经... 详细信息

在木材工业工程系统中 ,观测向量的全部对其控制器来说 ,经常不是可用的 ;而用伴随迟滞和失真的多信道方法传送时 ,又要受到比特率的约束。近年来 ,许多学者一直在寻求解决方案 ,但是到目前为止这个问题仍然没有得到很好的解决 ,这已经引起一些学者的高度关注。本文针对这一事实 ,提出了一类系统中的可控集的概念 ,讨论了具有通讯约束的线性连续时间系统状态反馈控制的问题 ,给出并证明了这类系统可控的充分必要条件 ,即如果系统满足可控集的条件 ,则该系统是可达的。

关键词：通讯约束线性状态反馈控制系统可控性木材工业工程系统

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具有通讯约束的多智能体系统的双向一致性

济南大学学报（自然科学版） 2018年第6期32卷 521-528页

作者：冯成利黄迟太原理工大学数学学院山西太原030024 太原理工大学大数据学院山西太原030024

为了解决现实网络中既有协作关系又有竞争关系的智能体间的信息交流不可能完整地进行,会因一些现实因素而在传输过程中部分丢失的问题,将系统的双向一致性问题转化为误差系统的稳定性问题,利用Lyapunov理论以及线性矩阵不等式理论研究... 详细信息

为了解决现实网络中既有协作关系又有竞争关系的智能体间的信息交流不可能完整地进行,会因一些现实因素而在传输过程中部分丢失的问题,将系统的双向一致性问题转化为误差系统的稳定性问题,利用Lyapunov理论以及线性矩阵不等式理论研究具有通讯约束的多智能体系统的双向一致性问题;提出系统的双向一致性协议,并对每个智能体的位置状态和速度状态最终分别趋于时变双向一致进行证明。结果表明,具有通讯约束的多智能体系统可以实现双向一致,数值实例证明了所提出的双向一致性协议的有效性。

关键词：双向一致性通讯约束局部信息传输多智能体系统

具有通讯约束的多智能体系统一致性问题与二部一致性问题的研究

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具有通讯约束的多智能体系统一致性问题与二部一致性问题的研究

作者：冯成利太原理工大学

学位级别：硕士

本文主要研究了具有通讯约束的分数阶多智能体系统的一致性问题以及具有通讯约束的多智能体系统的二部一致性问题,并将其应用到电力信息物理融合系统.本研究提出了一系列一致性协议,保证了每个发电机的转子角和转子速度的状态最终趋于... 详细信息

本文主要研究了具有通讯约束的分数阶多智能体系统的一致性问题以及具有通讯约束的多智能体系统的二部一致性问题,并将其应用到电力信息物理融合系统.本研究提出了一系列一致性协议,保证了每个发电机的转子角和转子速度的状态最终趋于共同时变值以及每个智能体的位置状态和速度状态最终趋于实变二部一致.两类通讯约束的研究,包括事件驱动采样和局部信息传输使得一致性协议更加实际.本研究严格证明了系统在采样过程中可以避免芝诺现象的发生,从而保证了一致性协议的有效可行.数值实例证明了所提出的协议的正确性.论文的主要内容如下:第一章概述电力信息物理融合系统与多智能体系统的研究背景及研究现状,并介绍了相关定义和准备知识.第二章利用分数阶多智能体系统模型研究电力信息物理融合系统转子角稳定性问题;考虑了包括局部信息传输、事件驱动采样的通讯约束,使得所设计的控制输入更为实际而且系统在整个运行过程中达到节能的目的;设计每个节点的事件条件,从而得到一个基于事件驱动的采样策略,进而得出电力信息物理融合系统一致性实现的充分条件.利用MATLAB软件进行数值仿真,证实本文提出的控制策略的可行性,进而检验了理论结果的正确性.第三章考虑局部信息传输的通讯约束研究了多智能体系统的二部一致性问题,将二部一致性问题转化为误差系统的稳定性问题.得出多智能体系统二部一致性实现的充分条件.最后,给出一个数值仿真来检验理论结果的正确性.第四章对全文进行总结,并对今后有关的研究工作进行展望.

关键词：电力信息物理融合系统二部一致多智能体系统通讯约束

多通讯约束下的网络化控制系统最优跟踪性能研究

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多通讯约束下的网络化控制系统最优跟踪性能研究

作者：张斌中国地质大学

学位级别：硕士

由于网络通信技术、控制技术与计算机技术的飞速发展与深度融合,网络化控制系统应运而生。至少在过去的二十年中,网络化控制系统的最优控制问题一直是控制领域中非常活跃的研究领域。网络化控制系统较于传统控制系统的一个显著特点是利... 详细信息

由于网络通信技术、控制技术与计算机技术的飞速发展与深度融合,网络化控制系统应运而生。至少在过去的二十年中,网络化控制系统的最优控制问题一直是控制领域中非常活跃的研究领域。网络化控制系统较于传统控制系统的一个显著特点是利用非透明的通信链路进行信息传递,其具有安装费用低、灵活性强且安装与维护简易等优点,已被广泛的应用于诸多领域,例如:工业控制网络、智能机器人与远程控制系统等。然而,由于网络是不可靠的,不可避免的存在着带宽、网络诱导时延以及丢包等通讯约束,这些因素都会对网络化控制系统的稳定性以及最优性能产生巨大的负面影响。本文正是基于这样的考虑,利用矩阵分析以及一些特殊的分解技术,充分研究了多通讯约束下的网络化控制系统的最优跟踪性能。本文的研究成果归纳如下:(1)构建了落信道下的网络化控制系统的新模型,对于反馈控制系统的稳态,通过保留乘性通道输出的一阶和二阶矩的影响,建立了等效平均通道模型,并基于互质分解、全通分解和控制器的Youla参数化,通过设计两个补偿器,得到了最优跟踪性能的精确表达式。这些表达式定量地揭示了最优跟踪性能和被控对象固有特征之间的关系。具体来说,不稳定极点和非最小相位零点的方向和位置会对跟踪性能产生不利影响。此外,带宽限制和有色噪声的存在也会降低跟踪性能。(2)构建了多通讯约束下的多输入多输出离散时间网络化控制系统的新模型,分别设计得到了单自由度控制器和双自由度控制器,并获得了在控制路径中存在编解码、带宽、量化以及在反馈路径中存在丢包、时延和加性高斯白噪声的多输入多输出网络化控制系统的最优跟踪性能。结果显示,被控对象的本质特征以及信道中的通讯约束会限制网络化控制系统的跟踪性能。(3)构建了有色噪声影响下的网络化控制系统的新模型,基于频域分析方法,研究了在反馈信道中存在有限带宽以及有色噪声的网络化控制系统的跟踪性能极限。从最优跟踪性能的显式表达式中不难发现被控对象的本质特征会对网络化控制系统的跟踪性能产生负面影响,除此之外,通讯信道中带宽约束以及有色噪声都会恶化网络化控制系统的跟踪性能。

关键词：网络化控制系统最优跟踪性能非最小相位零点不稳定极点通讯约束

几类通讯约束下非线性随机系统的优化滤波及其应用

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几类通讯约束下非线性随机系统的优化滤波及其应用

作者：贾朝清哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

非线性动态系统的状态估计/滤波问题是当今热门研究问题之一,相关估计方法可应用于电力系统、雷达定位和人脸识别等领域。要研究、分析动态系统的性能,就需要知道该系统的状态信息。然而,系统的状态信息往往是不可测的,故设计有效的状... 详细信息

非线性动态系统的状态估计/滤波问题是当今热门研究问题之一,相关估计方法可应用于电力系统、雷达定位和人脸识别等领域。要研究、分析动态系统的性能,就需要知道该系统的状态信息。然而,系统的状态信息往往是不可测的,故设计有效的状态估计/滤波算法来跟踪该动态系统的状态显得十分重要。一方面,非线性在现实系统中是普遍存在的,需要设计适合的非线性状态估计/滤波器来削弱非线性扰动带来的影响。另一方面,远程的状态估计/滤波器并不能实时地接收相关有用信息,而是在通讯约束的影响下导致只有部分信息能传输到状态估计/滤波器端,如需要考虑信号量化、数据丢失、通信协议以及状态饱和等现象。因此,基于可获得的部分有效信息,对系统的未知状态进行有效的估计具有重要的理论研究意义和实用价值。本文将针对几类通讯约束影响下的非线性动态系统,设计基于方差约束的递推状态估计/滤波算法,具体内容如下:1.研究一类具有随机发生不确定性和信号量化的时变非线性系统的鲁棒滤波问题。系统建模误差由范数有界不确定性刻画且信号量化由对数量化器实现。首先,基于系统的可测信息,构造新颖的时变递推滤波器。然后,利用随机分析方法,找到了滤波误差协方差的上界。再次,设计有效滤波器增益来最小化此上界。另外,给出了判别滤波误差满足均方指数有界性的充分条件。最后,通过Matlab算例仿真,验证了所提鲁棒滤波策略的优越性和有效性。2.基于方差约束方法,探讨了一类具有随机不确定性和连续丢包现象的时变系统的弹性滤波问题。为了减少网络传输负担和节约网络资源,引入了基于事件的通信机制。用随机不确定性刻画建模误差且用服从Bernoulli分布的随机变量描述了数据包连续丢失情形。基于系统的可测信息,构造了有效的时变滤波器。然后,利用不等式处理技术,给出了滤波误差协方差的上界。再次,设计一个可以最小化此上界的滤波器增益。最后,利用Matlab数值仿真,验证了所提算法的有效性和可行性。3.针对一类具有多重测量丢失和随机切换拓扑的时变耦合复杂网络,解决了该类复杂网络事件的弹性状态估计问题。采用一列具有确定概率的随机变量刻画了多重测量丢失现象。采用事件触发通信机制来降低数据拥堵发生的可能性。同时,利用Bernoulli随机变量以及白噪声描述了随机切换拓扑现象。基于系统的可测信息,构造了新型的时变弹性状态估计器。然后,给出了估计误差协方差上界的具体表达式。接着,设计了合理的估计器增益来实现此上界的最小化。最后,通过Matlab数值仿真,验证了所提算法的有效性和可行性。4.基于方差约束方法,解决了一类具有随机通信协议的饱和时变复杂网络的鲁棒状态估计问题。通过引入随机通信协议来调节网络节点间信息的传输顺序,从而避免一些网络诱导现象的发生。基于可测的输出信息,构造了时变鲁棒状态估计器。然后,采用不等式处理技术,得到了估计误差协方差上界的递推方程。其次,设计了有效的估计器增益来优化该上界。另外,给出了最优上界的迹满足一致有界性的充分条件。最后,通过Matlab算例仿真,验证了所提算法的有效性和可行性。

关键词：非线性随机系统通讯约束耦合复杂网络优化状态估计/滤波算法算法性能评价

具有丢包和通讯约束的网络化控制系统的故障检测

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具有丢包和通讯约束的网络化控制系统的故障检测

作者：袁园燕山大学

学位级别：硕士

网络控制系统具有架构灵活，安装成本低，易于扩展和维护等优点，已在工业自动化、机器人、航空等领域广泛应用。但工程应用对网络化控制系统的安全性、可靠性提出了更高的要求。本文研究了具有丢包和通讯约束的网络化系统的鲁棒故障检... 详细信息

网络控制系统具有架构灵活，安装成本低，易于扩展和维护等优点，已在工业自动化、机器人、航空等领域广泛应用。但工程应用对网络化控制系统的安全性、可靠性提出了更高的要求。本文研究了具有丢包和通讯约束的网络化系统的鲁棒故障检测问题，以期提高NCS的安全性和可靠性。本文的主要研究成果如下：首先，研究了具有丢包和通讯约束的时滞网络化控制系统存在执行器突变故障和外部干扰情况下的鲁棒故障检测问题。丢包序列存在于控制器到执行器之间，通讯约束存在于传感器到控制器以及控制器到执行器之间，利用线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality，简称LIM)设计故障检测滤波器，提出一种新的阈值计算方法，仿真验证该方法可以更快检测到故障。其次，研究了具有丢包和通讯约束的Lipschitz非线性时滞网络化控制系统的故障检测问题。用Bernoulli描述的丢包序列和通讯约束存在于两个通道之间，利用线性矩阵不等式设计基于观测器的故障检测滤波器，该滤波器能使系统均方指数稳定且误差系统满足鲁棒H抑制水平。仿真验证当系统执行器发生突变故障时，故障检测滤波器能迅速检测出故障。最后，研究了用Markov描述丢包和通讯约束的Lipschitz非线性网络化控制系统的鲁棒故障检测问题。采用线性矩阵不等式的方法，证明系统存在故障检测滤波器的充分条件。设计故障检测滤波器，使其在保证对故障敏感的同时还对外部扰动具有一定的鲁棒性。利用已有文献中的误差评估函数建立了新的阈值，通过误差评估函数与阈值的比较判断是否发生了故障。进而对系统进行仿真实验，验证本文阈值计算方法可以更快检测出故障且漏报率更低。

关键词：网络化控制系统随机丢包通讯约束故障检测