网络控制系统有限频域故障检测和容错控制

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1、2017年3月第43卷第3期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMarch2017V01．43No，3http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0177网络控制系统有限频域故障检测和容错控制程昊宇1，董朝阳1’4，马奥家1，王青2(1．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083；2．北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100

2、083)摘要：考虑网络控制系统中存在的时延，研究了其在有限频域内的故障检测以及容错控制问题。针对有限频域内的故障信号，利用给定指标设计故障检测滤波器产生残差信号。为了保证系统在故障情况下的控制性能，进一步构造基于残差反馈的主动容错控制器对故障进行补偿。给出了故障检测滤波器与主动容错控制器存在并满足有限频域内性能指标的充分条件。利用线性矩阵不等式得到了故障检测滤波器和主动容错控制器参数。数值仿真表明所提方法能够获得良好的故障检测性能和容错控制效果。关键词：有限频域；主动容错；残差反馈；故障检测；网络控制系统中图分类号：TP273文献标识码

3、：A文章编号：1001—5965(2017)03-0524．09随着控制系统向规模化、集成化方向发展，大量的交互数据影响着控制系统的可靠件和安伞性。网络控制系统中系统各个部分之间的数据传输通过网络实现Ho，可有效解决数据交互问题，具有结构灵活、可扩展性和可维护性好的优点，在航空航天、机器人控制和车辆工程等领域获得了广泛的应用。但是其产生的时延旧⋯、丢包p1等问题也影响着系统性能，甚至引发故障。因此，网络控制系统故障检测与容错控制问题近年来得到了越来越多的关注坤。“。文献[7]针对具有未知随机时延的飞行器故障检测问题，通过泰勒公式将随机时

4、延进行近似处理，在此基础上设计了故障检测滤波器。文献[8-9]将存在数据传输阻塞的无人机编队系统建模为离散马尔可夫跳变系统，基于几何方法和Ⅳ。滤波方法设计了故障检测与隔离算法。文献[10]研究了一类混合结构的故障检测问题，分别针对连续状态和离散状态设计了故障检测与隔离算法，并将该算法应用在四旋翼无人飞行器编队控制中。文献[1I]针对二阶动态执行机构故障，综合多模型和自适应重构方法研究了飞行控制系统跟踪补偿控制问题。文献[7-11]研究了故障检测滤波器与容错控制器的设计方法，但对于故障信号的特性如故障频率等描述比较宽泛，而实际研究中，故障

5、信号通常只存在于某一个特定频率段。有限频域故障是指故障频率在一定范围内的故障¨“，针对有限频域故障的研究已经取得了很多成果¨””1，文献[14]和文献[15]分别研究了线性时变离散系统和含有丢包问题的马尔可夫跳变系统有限频域故障检测问题，通过选取综合性能指标保证故障检测滤波器对故障的检测性能。文献[16]中网络控制系统的故障常常发生在一定频段范围内，通过引入加权函数描述故障的有限频域特性，进而设计故障检测滤波器，但是加权函数会增加系统设计的复杂度，而且对于故障频段的描述也不准确。目前对于有限频域问题的研究主要集中在故障检测问题方面，关于

6、网络控制系收稿日期：20164)34)7；录用日期：20164)64)2；网络出版时间：20164)94)615：48网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160906．1548．006．html基金项目：国家自然科学基金(61273083，61374012)}通讯作者：E—mail：dongchaoyang@buaa．edu．CBSl用格式：程凳宇，董朝阳．3奥象，等．网络控钢系统有限频域故障检测和容错控制eJ]．北京航空航天大学学报，2017．43(3)：524—532．CHENGH

7、Y，DONGCY，MAAJ，eta1．Faultdetectionandfaulttolerantcontrolinfinitefrequencydomainfofnet—workedcontrolsystemt

8、3．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2017．43(3)：524—532(inChinese)．第3期程吴宇，等：网络控制系统有限频域故障检测和容错控制525统有限频域故障检测与容错控制问题的研究尚未见诸文献。本文针对网络环境下飞行器的有限频域故障，

9、设计了故障检测和容错控制系统。首先设计了面向有限频域故障的故障检测滤波器，将在线获得的故障残差信号反馈至容错控制单元。进一步设计了包含状态反馈和残差反馈2部分的主动容错控制器。在无故障情况下，状态反馈部分起