基于通信协议的网络化系统故障检测9787030731616

目录

前言

第1章绪论 1

1.1 引言 1

1.2 网络诱导现象的研究现状 3

1.3 通信协议的研究现状 5

1.4 故障检测简述及其研究现状 7

1.4.1 故障检测方法简述 7

1.4.2 网络化系统故障检测研究现状 8

1.4.3 马尔可夫跳跃系统故障检测研究现状 9

1.4.4 有限时故障检测研究现状 10

1.5 本书主要内容 11

第2章 RR协议下网络化系统故障检测 14

2.1 RR协议下非线性系统故障检测 14

2.1.1 问题简述 14

2.1.2 系统性能分析 17

2.1.3 故障检测滤波器设计 19

2.1.4 算例 20

2.2 RR协议下具有测量丢失的时滞非线性系统故障检测 24

2.2.1 问题简述 24

2.2.2 系统性能分析 27

2.2.3 故障检测滤波器设计 31

2.2.4 算例 34

2.3 本章小结 37

第3章 WTOD协议下具有数据漂移的非线性系统故障检测 39

3.1 问题简述 39

3.2 系统性能分析 43

3.3 故障检测滤波器设计 47

3.4 算例 50

3.5 本章小结 57

第4章 SCP调度下具有异常测量值的时滞系统故障检测 58

4.1 问题简述 58

4.2 饱和约束故障检测方案 59

4.2.1 系统性能分析 62

4.2.2 饱和约束故障检测滤波器设计 65

4.3 非饱和约束故障检测方案 67

4.3.1 系统性能分析 68

4.3.2 非饱和约束故障检测滤波器设计 71

4.4 算例 73

4.5 本章小结 86

第5章 静态事件触发机制下非线性马尔可夫跳跃系统故障检测 87

5.1 问题简述 87

5.2 系统性能分析 89

5.3 故障检测滤波器设计 99

5.4 算例 102

5.5 本章小结 104

第6章 静态事件触发机制下具有量化的非线性系统有限时故障检测 105

6.1 问题简述 105

6.2 系统性能分析 108

6.3 有限时故障检测滤波器设计 112

6.4 算例 114

6.5 本章小结 119

第7章 环事件触发机制下具有随机时滞的非线性系统有限时故障检测 120

7.1 问题简述 120

7.2 系统性能分析 123

7.3 有限时故障检测滤波器设计 128

7.4 算例 132

7.5 本章小结 135

第8章 环事件触发机制下状态饱和时滞非线性系统有限时故障检测 136

8.1 问题简述 136

8.2 系统性能分析 139

8.3 有限时故障检测滤波器设计 143

8.4 算例 145

8.5 本章小结 149

第9章 动态事件触发机制下非线性马尔可夫跳跃系统非脆弱故障检测 150

9.1 问题简述 150

9.2 系统性能分析 153

9.3 非脆弱故障检测滤波器设计 159

9.4 算例 160

9.5 本章小结 165

第10章 动态事件触发机制下非线性系统有限时故障检测 166

10.1 动态事件触发机制下时滞非线性系统有限时故障检测 166

10.1.1 问题简述 166

10.1.2 系统性能分析 169

10.1.3 有限时故障检测滤波器设计 175

10.1.4 算例 176

10.2 动态事件触发机制下具有欺骗攻击的锥形非线性系统有限时故障检测 180

10.2.1 问题简述 180

10.2.2 系统性能分析 184

10.2.3 有限时故障检测滤波器设计 193

10.2.4 算例 195

10.3 本章小结 199

第11章 动态事件触发机制下网络化直流电机有限时故障检测 200

11.1 问题简述 200

11.2 传统故障检测方案 202

11.2.1 系统性能分析 204

11.2.2 有限时故障检测滤波器设计 207

11.3 记忆调度故障检测方案 209

11.3.1 系统性能分析 212

11.3.2 有限时记忆调度故障检测滤波器设计 215

11.4 仿真实验 218

11.5 本章小结 224

参考文献 225

第1章 绪论

 1.1 引言

 近几十年，随着科学技术的不断提升，许多工程系统朝着复杂化和大规模化的方向发展，如机器人系统、电力系统和光伏系统等 [1]。这些大规模复杂系统在给人类生产生活带来便利的同时，也增加了由于某些元器件老化、形变和裂损等问题导致的系统故障风险。如果没有及时检测到系统中发生的故障，可能会给人民的生产生活带来重大影响，甚至造成无法估量的损失。例如， 1971年 6月 30日，苏联的“联盟”号飞船与“礼炮”空间站对接飞行 24天后，在返回地面时因连接轨道舱和返回舱的换气阀门漏气，导致 3名宇航员牺牲。 1992年 11月 24日，中国南方航空公司波音 737飞机在执行广州 -桂林航班任务时，由于飞机右发自动油门发生故障，导致左、右发动机推力不平衡，造成机上 141人全部遇难。 2018年 3月 12日，江西九江某石化企业循环氢压缩机因润滑油压力低继而发生停机，由于没有安装相关检测设备及时检测到机器故障，导致该企业柴油加氢装置原料缓冲罐发生爆炸，造成 2人死亡、1人受伤。这些例子说明及时发现故障的早期征兆，以便采取相应措施，避免、减缓、减少重大事故的发生十分必要。作为监测和测量各种物质成分和物理量的重要工具，仪器仪表在工业、航空和人民生活等众多领域得到了广泛应用，并且仪器仪表的测量输出信息可以作为判断系统异常的重要依据。比如万用表通过电流的导通情况判断电路是否发生短路故障，压力计通过一段时间内压力的下降情况判断燃气管道是否存在泄漏故障，有害气体报警器通过检测环境中有害气体的浓度判断化工厂是否发生阀门故障等。然而，传统的采用各类仪器仪表测量电流、振动、转速、温度等物理特性变化的检测方法，通常在设备发生损坏停机后才能发现故障，因此该方法存在一定的局限性。值得注意的是，每年都会发生许多由于系统出现异常和故障却未被及时检测与排除引起的事故。由此可见，系统故障的实时检测和诊断为系统的正常运行提供了有效保障，在保证系统可靠性方面起着至关重要的作用。

 作为提高复杂动态系统的安全性并且降低系统运行风险的重要手段，故障检测技术获得了越来越多的关注。该技术首次引入工程机械系统，主要用于监测系统的运行状态，检测和处理设备的异常情况。迄今为止，故障检测技术已经在现代系统控制、信号处理和模式识别等领域广泛使用 [2-4]。随着故障检测技术的不断发展与完善，该技术理论已经形成了专业的结构体系，主要包括基于信号处理的方法、基于经验知识的方法和基于模型的方法。其中，近十年来应用昀为广泛的是基于模型的方法，该方法利用系统的数学模型和可获得的测量输出信息设计故障检测滤波器或观测器，达到检测系统故障的目的。到目前为止，基于模型的方法已经引起了国内外学者的关注并取得了大量优秀的研究成果。

 随着网络通信技术和计算机技术的快速发展，以及故障检测技术与自动控制理论的结合，测量数据由有线传输变成了网络传输传递到仪器仪表。但是，由于网络技术的发展水平和通信设备的处理能力有限，通信网络的引入可能会导致时滞、传感器测量丢失、传感器数据漂移、信号量化和网络攻击等网络诱导现象，各种网络传输异常干扰着仪器仪表对设备工况的检测。因此，构建基于设备与通信网络的网络化系统并研究故障检测问题，能适当避免由于网络通信异常或网络诱导现象导致的检测不灵敏，有效检测出设备故障，保证系统稳定运行。网络化系统是以信息包的形式通过网络交换反馈信号和控制信号的一种系统。它的特点是，系统各模块组件通过通信网络进行连接，各模块之间的物理位置和布局没有约束，方便系统操作与维护。因此，网络化系统近年来已被广泛应用于多种实际领域中，如无人机、智能机器人和航空航天等不同领域。然而，随着网络化系统的快速发展，需要传输的信息越来越多，必然会占用更多的网络资源，造成网络拥堵和数据冲突等现象。为了避免此类现象的发生，实际通信网络一般采取引入通信协议来调节数据传输。近十年来，轮询( round-robin，RR)协议、随机通信协议( stochastic communication protocol，SCP)、尝试一次加权丢弃( weighted try-once-discard，WTOD)协议和基于事件的通信协议(即事件触发机制) [5-8]受到了广泛关注。这些通信协议具有各自的特点，在网络化系统中发挥着重要的作用。但是，由于通信协议的引入，网络化系统变得更加复杂，传统的故障检测方法可能不再适用于通信协议作用下网络化系统的分析与设计。因此，开发受通信协议约束的网络化系统故障检测方法仍然值得探索和研究。

 众所周知，非线性是工程领域中一类常见的现象，在系统建模分析中可以将非线性系统线性化，从而得到近似的线性系统模型。然而，在复杂动态系统中，被控对象或被控过程的非线性现象是普遍存在且十分复杂的，通过线性化得到的近似模型不能准确刻画原系统。因此，在系统建模中，非线性不能被完全消除，它是影响系统性能的重要因素之一。非线性的存在提升了系统复杂度，同时也给系统研究带来了挑战。所以，开发适用于受非线性扰动影响的网络化系统的故障检测方法显得尤为重要。此外，值得注意的是多种网络诱导现象可能同时发生，将这些现象建模并综合分析网络化系统的故障检测问题仍是一个具有挑战的课题。鉴于以上分析，本书以网络化系统为研究对象，分别研究具有传感器测量丢失、传感器数据漂移、信号量化和网络攻击等网络诱导现象的网络化系统在不同通信协议约束下的故障检测问题，提出有效的故障检测方法，进一步将研究结果应用于检测网络化直流电机系统中的故障。

 1.2 网络诱导现象的研究现状

 随着网络技术的快速发展，愈来愈多的传统工业控制系统通过网络进行各个设备之间的交流和控制，即网络化系统。通信网络的引入便于系统中所有设备之间的数字化交流，使得一个区域内不同位置的用户能够实现协同运行及资源共享 [9]。近二十年来，国内外涌现了大量关于网络化系统的研究成果。然而，在网络环境中，信号通过有限带宽的通信信道进行传输，因此时常会发生诸如时滞、传感器测量丢失、传感器数据漂移、信号量化及网络攻击等现象 [10-13]。

 1)时滞

 时滞是时间滞后的简称，系统变量的测量、远距离传输等过程都可能产生时滞现象。时滞的存在可能会影响系统的性能，甚至使系统失稳，给系统分析与综合带来挑战 [14]。例如，在故障检测过程中，由于时滞的影响，滤波器不能及时获取到系统的测量输出信息，从而导致故障检测方法精度降低。因此，弱化时滞对系统的影响十分必要。针对时滞现象，广大学者进行了详细的研究 [15-19]。其中，文献 [16]将时滞区间划分为多个子区间，结合倒凸组合不等式推导出了保证系统