system: [SYSTEM]

user: 3. 研究方法 在实际工业过程中，NCS主要考虑数据包丢失、网络诱导时延及网络量化等影响网络系统性能的问题，需要根据系统的某些观测信息作出判决，再通过对容错控制器的设计克服系统出现的故障，使系统可以继续稳定运行。在网络容错控制系统的故障检测与诊断和几种比较有代表性的控制系统研究中，针对处理时延、丢包等不确定性问题时，最多使用的方法就是Lyapunov函数及线性矩阵不等式(LMI)： 首先通过求解系统相应的LMI设计系统控制器，再通过构造推导Lyapunov函数，(如 V i ( x = ∂ V ( x ) ∂ x ) ， ∀ i ∈ Λ ，系统中如果存在一个Lyapunov函数 v ( x ) > 0 ，那么显然系统是渐近稳定的)来验证系统的稳定性。针对不同问题的模型还需要具体问题具体分析，选择适应的辅助方法。而对基于量化器模型的网络控制系统的研究一般有以下几个方向：(1)是直接对量化器的研究；(2)是对量化误差的分析；(3)是针对分布在不同区域的量化器采用不同的量化策略。由于不会单独再去设计量化控制器，所以对量化问题的处理就融入容错控制器的设计部分。 3.1. 网络容错控制系统故障诊断研究 根据NCS中的时延、数据包丢失以及数据传送方式的不同等因素，对网络容错控制系统可以建立不同类测与容错控制被越来越多的学者所关注。文献 [ 18 ] [ 22 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] 针对时延影响研究了控制系统的故障诊断问题，其中文献 [ 18 ] 将NCS建模为具有恒定延迟的马尔可夫跳跃线性系统(MJLS)，基于马尔科夫(Markov)跳跃线性系统的理论和使用Lyapunov-Krasovskii功能方法，使系统具有恒定的延迟，便于执行器的故障检测，为具有部分未知的转移概率的容错控制系统导出了用于随机稳定性的充分条件；文献 [ 44 ] 针对具有延迟的离散时间T-S模糊系统的容错饱和控制(FTSC)问题，开发了具有饱和约束的基于观察者的控制设计的充分条件。该文献基于多个Lyapunov函数和松弛变量，使用锥形互补技术在LMI项中设计条件，使在控制器上存在永久传感器故障和饱和时也保持渐近稳定性；文献 [ 45 ] 针对随机故障和随机延迟的一类离散时间NCS的静态输出反馈随机稳定和干扰衰减问题，将不同的随机过程被建模为马尔可夫链，并且所得到的闭环系统属于离散时间MJLS的类别。而文献 [ 22 ] [ 42 ] 则基于非线性系统下研究了时延系统的故障诊断问题，其中文献 [ 22 ] 研究了一类离散时间非线性系统的鲁棒故障检测问题，将模型由具有规范边界不确定性的T-S仿射动力学模型表示，目的是设计一个允许的故障检测滤波器，保证所得残余系统具有规定性能的渐近稳定性；文献 [ 42 ] 研究了一个非线性动态网络控制系统受时变延迟的集成FTC问题。为了方便残差产生，网络引起的延迟影响被转换成一种时变不确定性，然后基于故障诊断程序获得的不确定性和故障信息，开发了FTC组件以补偿不确定性和故障的方法，从而达到了在没有故障的情况下，使用标称控制器来处理系统不确定性。在处理时延的问题上，许多学者也同时考虑到网络丢包对系统故障检测的影响，如文献 [ 23 ] [ 25 ] [ 43 ] 。其中文献 [ 23 ] 中作者基于残差发生器和残差估计器设计系统的奇偶空间和状态观测器作为故障诊断方法，在随机丢包NCS中，将丢包对系统产生的影响转化为系统的随机参数项，并通过参考模型用一个新的优化指标来处理随机参数项；文献 [ 25 ] 中将数据包丢失看作是一种特殊形式的时延，基于动态反馈控制策略，提出了执行器故障时的时延鲁棒控制策略，在该控制器的设计中应用了LMI原理。在NCS中，而当丢包率低时，NCS的故障检测具有有效的性能，而文献 [ 43 ] 则关注的是，如果NCS中的丢包率高时，NCS可能失去有效性条件下的具有正态的分布式属性的故障检测。作者提出了一种改进的加权和平方残差(IWSSR)故障检测方法，对丢包率高的问题，提出了一种规范有限的故障检测方法，避免了需要创新满足正态分布的限制。同时也有学者在网络通信约束问题方做了相关研究，如文献 [ 46 ] 提出了一种具有通信约束的非线性NCS类别的FTC方法，使用欧拉近似法将T-S模糊模型建立为一个新的非线性NCSs模型，然后通过考虑传感器故障和执行器故障，提出了一种基于鲁棒控制理论和信息调度的非线性NCS的FTC方法。 3.2. 网络鲁棒容错控制系统研究 鲁棒控制理论是针对实际工程中模型不确定性发展起来的。在实际应用中，可以将所有问题都考虑成具有不确定性的数学模型，用鲁棒控制理论去解决受到时延、丢包和外界扰动等不确定性影响的NCS设计问题。国内外对鲁棒容错控制器的研究比较多，文献 [ 19 ] [ 26 ] [ 42 ] [ 47 ] 研究了鲁棒时延容错控制，其中文献 [ 19 ] 中针对传感器故障具有不确定时间延迟的一类NCS，重点讨论的是基于状态反馈的鲁棒容错控制的问题。文献基于Lyapunov稳定性理论和LMI方法，将状态反馈控制器设计为确保闭环系统在所有可能的传感器故障情况下渐近稳定；文献 [ 47 ] 涉及具有状态延迟和随机执行器故障的NCS，作者通过使用输入延迟方法，获得状态和输入中的等效连续时间广义时间延迟系统。应用延迟分解方法，可以充分考虑延迟的工厂状态信息，且所提出的方法不涉及松弛变量或任何模型变换；文献 [ 42 ] 研究了一个非线性动态网络控制系统受时变延迟的集成FTC问题，为了方便残差产生，网络引起的延迟影响被转换成一种时变不确定性，然后基于故障诊断程序获得的不确定性和故障信息，开发了FTC组件以补偿不确定性和故障的方法，从而达到了在没有故障的情况下，使用标称控制器来处理系统不确定性；文献 [ 26 ] 研究了一类具有状态时间延迟的不确定系统的鲁棒控制，作者同时探讨了基于观测器的故障检测和LMI的控制器设计方法。文献 [ 5 ] [ 25 ] 中，作者分别用不同方法处理了网络丢包的影响，文献 [ 25 ] 基于动态输出反馈控制策略，将数据包丢失看作是一种特殊形式的时延，提出了执行器故障时的时延鲁棒控制策略；而文献 [ 5 ] 基于这种更一般的非线性NCS模型，通过选择适当的Lyapunov函数和采用新的离散Jensen类型不等式，导出足够的条件以建立最大可允许分组丢失率和非线性水平与指数稳定性的数量关系的NCS，并利用圆锥互补线性化算法或求解相应的LMI设计了输出反馈控制器，且该控制器具有很强的鲁棒性。文献 [ 48 ] 中，作者将数据分组丢失的NCS描述为交换系统模型，分别采用丢包依赖型Lyapunov函数，用于任意分组丢失过程和马尔可夫分组丢失过程，在两方面同时考虑了丢包和时延问题。由于如今网络量化问题越来越引起社会关注，文献 [ 49 ] 则针对非线性NCS系统中控制器参数存在摄动的问题，考虑传感器到控制器和控制器到执行器均存在随机丢包和量化误差，作者提出了一种加性非脆弱量化 H ∞ 控制器的设计方法，利用Lyapunov稳定性理论和LMI方法，将该问题转化为线性矩阵不等式约束和线性目标函数的凸优化问题进行求解。其控制器在容许的参数摄动、丢包概率和量化密度条件下，不仅能保证闭环NCS的稳定性和性能要求，而且是非脆弱的。以上文献所考虑的NCSs都为固定结构，而文献 [ 27 ] 则将这个问题扩展到可变结构的DNCSs，作者考虑了时延和丢包之外，还考虑每个子系统具有不同量化器的条件，由此设计了一种强大的鲁棒容错控制器。 3.3. 网络自适应控制容错控制系统研究 由于对NCS的自适应容错控制多在于对自适应控制模型的设计，所以有很多学者开始融合将自适应方法融合在其他的控制方法中，且已有很多研究面向了神经网络。文献 [ 29 ] 针对存在状态相关干扰的网络诱发延迟的线性网络控制系统问题，提出了一个新的自适应模型，并基于Lyapunov稳定性理论，推导出系统的新的延迟相关稳定性标准。文献 [ 50 ] 中考虑了更加复杂的系统，对于时延、丢包以及具有一定规律的Markov丢包的系统，有效的利用切换思想，在元件可能失效的情况下，比较理想的实现了对系统的容错控制。文献 [ 21 ] 在解决一类非线性耦合混沌系统时延网络故障问题时，通过对网络的恶化、信号衰减、扰动非线性耦合和时变时滞的混沌系统的FTC设计考虑，提出了一种自适应估计滑模控制策略，保证了故障和扰动联轴器的补偿。文献 [ 30 ] 中，作者将基函数神经网络看成一种非线性函数，设计了一种自适应容错控制方案，与之前文献的一些方法相比，作者提出的方法之一就是引入后台技术来实现容错控制任务。文献 [ 31 ] 研究了一类具有未知未建模动态系统的容错控制问题，作者也是将神经网络看成一种未知的非线性函数，利用神经网络的基本功能和隐含函数定理的属性，设计了一种基于神经网络的容错控制器。文献 [ 32 ] 提出了一种自适应滑模FTC方案，以解决超强飞行器的鲁棒和快速的姿态跟踪问题，作者结合滑动模式控制理论，在故障系统的外环和内环分别设计了容错控制器。文献 [ 51 ] 研究了一类具有输入量化、外部干扰和执行器故障的不确定非线性系统的自适应跟踪控制问题，作者在控制律中引入了一种新的光滑函数，通过切换信号以消除基于第一步构造的中间控制律对量化的影响。文献 [ 33 ] 则研究一类具有未知强关联的不确定互联非线性系统的自适应分散容错跟踪控制问题，为了实现良好的跟踪性能，作者使用图论方法，基于神经网络的鲁棒自适应分散FTC方案补偿了执行器故障和系统的不确定性。 3.4. 网络切换控制容错控制系统研究 切换系统属于混合动力系统，而时间延迟是许多物理过程的固有特性、不稳定和性能差的主要来源，而具有时滞的切换系统具有很强的工程背景，早在网络控制系统中就有应用 [ 52 ] 。文献 [ 35 ] 研究了具有区间时变时滞的离散切换系统的故障检测滤波器设计问题，通过构造新颖的切换Lyapunov函数，获得用于残余系统的新标准，并基于此，根据LMI建立了用于存在上述滤波器的充分条件，保证了产生的残留信号与故障信号之间的差异尽可能小；文献 [ 37 ] 通过利用故障诊断观测器，在切换系统条件下提出了一种自适应故障估计算法，可以快速和准确地估计故障信号，并基于故障估计和观测器的信息将容错控制器设计为保证闭环系统的稳定性，通过LMI为自适应观测器和容错控制器的存在导出了足够的条件；文献 [ 39 ] 研究了具有执行器故障的离散时间切换系统的动态输出反馈容错控制器设计的问题，通过使用降阶观测方法和切换Lyapunov函数技术，实现了具有执行器故障的离散时间切换系统的故障估计算法。文献 [ 35 ] [ 37 ] [ 39 ] 是在线性系统下対时滞切换系统的研究，文献 [ 38 ] 则在基于切换广义观测器的方法的基础上，提出了一种新的时延切换描述符状态观测器来估计状态和传感器故障，在传感器故障的估计的基础上，设计了一个高效的容错控制过程，实现非线性系统传感器的故障补偿。量化问题在时滞切换系统中的研究成果还较少，文献 [ 53 ] 则基于切换系统模型分析了带动态量化器离散时滞系统的稳定性问题，利用Lapunov-Krasovkii泛函方法给出了系统渐近稳定的充分条件；文献 [ 54 ] 在分析同时带均匀量化器和对数量化器的网络控制系统的稳定性问题时，考虑了量化效应、数据丢包、时变时滞和通信约束等缺陷同时存在的情况，将量化效应表示为添加的范数有界干扰，把网络控制系统建模成一个线性离散不确定切换系统。文献 [ 41 ] 考虑的水污染控制中，使用了慢切换方法，主控制器用于稳定执行器故障，而其标称系统的时滞系统(即无故障)不需要改变任何结构或控制器参数。