system: [SYSTEM]

user: 2. 问题描述 容错控制系统的设计主要包含两个问题：用于判断一个系统或某个元部件是否发生故障的故障诊断机构的设计和容忍故障并仍能保证系统的稳定运行容错控制器的设计。而网络控制系统由于时变的网络环境(如拥塞)和信道质量将导致采样和解码之间存在不确定的影响，我们重点关注的是时延、丢包及由于带宽有限的量化误差可能恶化NCS的性能这三个问题。 综上，根据考虑因素的不同，我们在当今网络容错控制的理论研究中总结出以下两个大方面：(1) 网络控制系统中不确定因素在系统回路中的故障诊断问题；(2) 设计合适的容错控制器，克服网络中不确定因素产生的故障问题。 2.1. 网络容错控制系统的故障诊断问题 随着计算机的组成越来越复杂、通信接口数目逐渐增多、装配密度不断增大，这些都将导致故障概率的增加，另外，各种系统使用环境也变得越来越复杂，因而，可靠性问题也越来越重要。NCS的容错控制与故障诊断尤为重要，一般系统的故障诊断与NCS容错控制有所不同，更具有复杂性和特殊性，而任何容错控制器设计的前提就是要先做好系统的故障诊断，检测到故障才能处理故障。NCS的故障诊断的研究主要是基于系统数学模型的方法，由于网络传输中的时延、数据包丢失、数据传送方式以及非线性系统等不同的因素，NCS故障模型的建立就是一个难点。文献 [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] 都研究了在网络时延影响下的故障检测问题，通过Lyapunov稳定理论验证了系统的稳定性并设计了合适的控制器。其中文献 [ 18 ] 作者通过将系统建模为具有恒定延迟的马尔科夫跳跃线性系统研究了执行器故障模型，并根据锥互补线性化算法给出了状态反馈容错控制器；而文献 [ 19 ] 则研究了传感器故障模型，通过LMI设计了一种鲁棒反馈控制器，确保了闭环系统在所有可能的传感器故障情况下都渐近稳定。两篇文献所考虑的随机试验均为固定短时延状态下的故障模型，考虑的系统均为线性系统，且若对传感器和执行器同时故障检测，所得模型就变得更加复杂，需要更加深入的研究。相对于 [ 18 ] [ 19 ] ，文献 [ 20 ] 则研究了一类未知的输入和时变延迟的不确定模型的故障检测问题，作者将模型建立为一个Takagi-Sugeno(T-S)模型，并通过LMI设计了鲁棒故障检测系统，虽然考虑到了时变延迟，但依旧为线性系统下的短时延状态模型。更进一步，文献 [ 21 ] [ 22 ] 讨论了非线性网络容错控制的故障检测问题。其中文献 [ 21 ] 比较全面的讨论了网络恶化和信号衰减两种网络故障下的故障监测问题，通过提出一种滑模控制策略保证故障和扰动耦合的补偿，但由于是非线性系统且带有未知控制器参数的自适应估计，其系统模型本身比较复杂；相比于 [ 20 ] ，文献 [ 22 ] 则研究了一类非线性系统T-S模糊模型问题，由于系统模型具有规范有界不确定性，作者设计了一个可接受的鲁棒故障检测滤波器，以保证所产生的具有规定性能的残余系统的渐近稳定性。同时NCS的分布性及网络带宽和数据包大小都有一定限制，所以网络的传输常常会采用多包传输的形式，这也是对NCS进行故障检测与诊断所遇到的又一个问题。如文献 [ 23 ] ，由于网络采用的多包传输形式，随机丢包就需要考虑在模型中是否需要建立观测器；而文献 [ 18 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] 研究的丢包都属于低丢包率，当出现较高的丢包率时，NCS可能失去有效性，对故障的检测与诊断就更加重要。 2.2. 网络容错控制系统的控制器设计问题 网络容错控制系统的控制器设计，依具体的系统及故障的不同有很大的差异，根据考虑因素的不同很多学者做出了相应的研究，比较有代表性的就是网络控制系统的鲁棒容错控制，自适应容错控制以及切换容错控制的研究。 (1) 网络鲁棒容错控制 无论是主动容错控制，还是被动容错控制，都需要具有关于模型不确定性与外界扰动的鲁棒性。这是容错控制可以应用于实际系统的重要前提之一。因此鲁棒容错控制问题一直受到各学者的高度重视，已成为目前容错控制领域的热点研究方向，而这在网络容错控制领域中也热点研究方向。然而，由于主动容错控制器设计的复杂性，现如今的大多数文献都属于被动容错控制。如文献 [ 25 ] 作者考虑了网络引起的延迟和数据包丢失，研究了基于动态输出反馈的网络鲁棒容错控制，因为有限参数且不使用模型转换，而引入了延迟的下限，使结果保守性较差；文献 [ 20 ] 研究了不确定的T-S模型的鲁棒故障检测系统的设计问题，所考虑为非线性短时延模型系统；文献 [ 26 ] 研究的系统就有不确定性，提出了鲁棒控制问题的 形式化，要基于动态观测器，较为保守；文献 [ 27 ] 研究了分布式网络控制系统(DNCSs)中的鲁棒容错控制问题，但对DNCSs多是具有固定结构的DNCSs，仅考虑延时和丢包，在可能的恶劣工作环境下，容错控制器更容易失效。目前，在量化控制方面的研究成果都还存在一定的保守性，且多在稳定性的分析，如文献 [ 28 ] 就分析了基于对数量化器的离散系统稳定性问题。 (2) 网络自适应容错控制 自适应本身就具有自矫正功能，而容错控制又有修复故障的功能，两者结合在一起就能使系统发生故障后仍能保持或接近原有系统的性能。而正因网络控制的复杂性，自适应容错就属于典型的主动容错控制，所以对NCS的自适应容错控制的研究多在于对自适应控制模型的设计。如文献 [ 29 ] 中对具有时延和丢包的NCS的自适应控制进行了研究，其研究中最大问题就是要找到采样周期的上限，而由于所产生采样周期的上限是时变的，所以如何建立合适的反馈观测器就成了难点；文献 [ 30 ] 则研究了一类不确定多输入-单出三角形式的离散时间系统，作者将神经网络近似看作未知非线性函数，设计了一种自适应容错控制方案，与当时的一些方法相比，文中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 ] 中，作者也假设神经网络故障模型是控制输入的未知非线性函数，设计了一种基于神经网络的容错控制器，与前文相比，提高了容错效率；文献 [ 32 ] 中，作者也将神经网络近似看作未知非线性函数，只是将自适应容错控制器分成了内外两部分，对系统故障做到了更好地容错；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，作者同样将容错控制器分成了两部分并增加了鲁棒故障检测方案来补偿执行器故障和系统不确定性，又使系统的容错效率进一步提高。 (3) 网络切换容错控制 切换系统是由一个系列的子系统和一个切换信号组成，切换信号指定每一个时刻轨迹上要被激活的子系统。切换容错多属于被动容错方法，与其他的控制方法相比，虽然时滞切换系统具有很强的工程背景，但多在于对系统的故障诊断检测、设备执行器的饱和—偏置—失效以及系统稳定性分析，对控制器的设计问题研究较少，而在其他不确定网络存在的问题，如丢包、量化，对网络切换容错控制系统的研究多在于理论。如文献 [ 34 ] [ 35 ] 研究了离散时间切换系统下的故障检测问题；文献 [ 36 ] 研究了具有时滞的切换系统的故障诊断问题；文献 [ 37 ] 重点研究了时滞切换系统的主动容错控制问题；文献 [ 38 ] 进一步在基于切换广义观测器的方法的基础上，研究了时滞切换系统的传感器故障估计和补偿方法的问题；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；文献 [ 40 ] 则研究了复杂一些的DFTC问题，包括有效性损失/偏置等。但以上文献都侧重于系统稳定性的验证和理论的证明，只有文献 [ 41 ] 考虑了一类不确定的切换线性延时系统的容错控制并将其应用在水污染控制系统中。所以对如今网络切换容错控制系统的研究在实际应用方面还需要更加关注。