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1、华中科技大学 硕士学位论文 网络化控制系统故障检测方法仿真研究 姓名：符晟 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：方华京 2011-03-11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 对任何一个实际的工业控制系统而言，在其生命周期内，故障总是不可避免会 发生。故障检测技术作为提高系统稳定性和安全可靠性一种重要保障，历来就受到 广泛的重视。由此，基于传统的集中式控制系统，人们提出并发展了一系列的故障 检测方法。 然而，随着系统控制技术和网络通讯技术的迅猛发展，现代的工业控制系统已 经不再局限于一个集中式的本
2、地系统，它往往是由许许多多的分散于不同区域的控 制部件通过共享的数字通讯网络连接而形成的庞大的分布式系统。网络的引入带来 了系统的灵活性和成本的降低，也带来一些不利因素，比如时延，丢包，在模数转 换时带来的量化误差等等。在这种情况下，必然对系统的故障检测提出了更高的要 求。 本文首先简要介绍了进行仿真研究所采用的几个 Benchmark 的实例模型，故障 检测系统的基本行为和性能评价指标，然后通过分别研究几种网络因素对传统的故 障检测方法的影响，探索网络性能变化时故障检测系统性能变化情况并总结得到相 应的规律；随后针对量化和随机丢包情形下的网络化系统的故障检测，研究并给出 了满足 H-infi
3、nity 扰动水平的滤波器设计的充分条件，并在同等条件下与传统方法进 行了对比数字仿真，同时给出了方法的适应性研究结果；最后我们对非线性条件下 网络化系统的故障检测方法在 Benchmark 模型进行了仿真研究，同样考察了方法的 适应性。 关键词：故障检测；网络化控制系统；丢包；时延；量化 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract For any real industrial control systems, failure always inevitably occurs in its life cycle. T
4、herefore, the fault detection technology, as an important guarantee for improving stability and reliability of the system, have traditionally received wide attention. As a result, a series of fault detection methods have been proposed and developed based on the traditional centralized control system
5、s. However, with the rapid development of the system control technology and network communication technology, modern industrial control systems is no longer confined to a centralized local system, it is often connected by the sharing digital network with many different control units spread many diff
6、erent regions, and become a large distributed system. The network induced has brought the system flexibility and reduced costs, but also brought some adverse factors, such as delay, packet loss, and quantization errors caused by the ADC(Analog Digital Converter). In this case, the fault detection sy
7、stem is bound to put forward higher requirements. Firstly, this thesis briefly introduced several benchmark models for simulation, basic behavior of the fault detection system and the assessments of its performance. Secondly, we studied the influence of some network-induced effects to the traditiona
8、l fault detection methods by several simulations on the benchmark models in different case of network performance separately, and then concluded the results. Thirdly, we researched on the method of fault detection for NCSs subject to quantization and random packet dropout, and the sufficient conditi
9、on satisfied the H-infinity disturbance level for the filter design was figured out. Then the comparing simulation with traditional method and the adaptability simulation of this method were also performed. Finally, some simulations for the method of fault detection to nonlinear NCSs on benchmark mo
10、dels were carried out, and the adaptability results were also showed. Keywords: Fault Detection; Simulation; Networked Control System; Packet Dropout; Time Delay; Quantization 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标
11、明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位
12、论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 对任何一个实际的工业控制系统而言，在其生命周期内，故障总是不可避免会 发生。当系统出现无法正常工作或状态异常时，通过各种手段判定哪一个部件或环 节出现了故障,并且将这个故障通过指示灯或者是其他的方法来告诉用户的技术就称 为故障检测技术。 伴随着现代科学技术的飞速发展，控制系统已经由早期的现场基地式仪表和继 电器，历经集散控制系统（Distributed Control System, DCS），上世纪 90 年代出现的现 场总线控制系统(Fieldbus Contol System
13、)以及最近出现的工业以太网控制系统(Industrial Ethernet Control System, IECS)和无线网控制系统(Wireless Control System,WCS)等一系列发 展阶段，如今呈现出更加开放，智能和稳定的特点。现代的工业控制系统已经不再 局限于是一个集中式的本地系统，它往往是由许许多多的分散于不同区域的控制部 件通过共享的数字通讯网络连接而形成的庞大的分布式系统。这种对于这种复杂的 控制系统，一旦发生故障后如果没有及时进行处理，则小的故障也有很有可能经由 传导放大从而引发连锁反应造成整个系统的崩溃，以至于威胁环境和人身安全1。因 此，故障检测技术作为提高
14、系统稳定性和安全可靠性一种重要保障，历来就受到广 泛的重视，并由此产生了一系列的故障检测方法。 从控制系统的发展史可以看到，网络的引入已是不争的事实和趋势。正是由于 引入了网络, 控制系统的功能才更为强大，同时系统构成也更为灵活，不仅能大大地 减少系统布线，而且能极大地降低维护难度和成本。但网络的引入也会带来一些不 利因素，比如时延，丢包，而且由于网络上通常只能传输数字信号，在模数转换时 也必然带来了量化误差，同时由于网络信道的容量问题，也带来的传输受限等问题。 这种种的不利因素，必然会对系统的故障检测提出了更高的要求1-44。 为了应对这种种新的复杂条件，毫无疑问我们需要在传统方法的基础上进
15、行改 造创新。通常来说，我们会有这样的思路：首先在使用传统方法时逐个加入网络因 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 素来考察哪些网络因素对系统的性能影响较大，同时考察在网络性能变化时系统性 能变化的趋势；同时，只有立足于这个基础，我们才能对存在多种网络因素复合作 用时系统的故障检测进行研究以得到新的方法，以至于处理更复杂的针对于非线性 系统在网络条件下的故障检测。当然最终形成的新方法都需要通过使用 Benchmark 模型进行仿真，以检验其有效性和实用性。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 传统的故障检测方法传统的
16、故障检测方法 经过几十年的发展，故障检测技术已经衍生出了许多种方法。 传统的故障检测方法一般可分为三种：基于数学模型的方法，基于知识的方法 和基于信号处理的方法2。 (1) 基于数学模型的方法 对于基于数学模型的方法， Patton 和 Kangethe 于 1989 年提出了系统故障可检测 的条件1:当系统的残差响应向量可以表示为时: 1 ( )( )( ) n rfii i r sGsf s = = 故障可检的条件为 ( )0 rfi Gs 由上所述,获取实际信号与估计信号之间差值(我们称之为系统残差)是故障诊断 系统设计的一个中心问题。为了解决此问题,人们提出了一系列的方法。 20世纪70年代以来，Beard和Jones基于观测器理论提出了故障诊断滤波器方 法，这种方法比较原始，设计变量只有一个，因而必然存在较大的保守性。为了改 进这种方法，Patton和Chen在前人的工作基础上总结出了Lengerburger观测器的方 法，这种方法加入了设计变量残差增益矩阵，使设计自由度更大，并
