多包传输网络控制系统在有限频域内的故障检测方法

This project investigates the fault detection (FD) method in finite-frequency domain for networked control systems (NCSs) under multi-packet transmission mechanism. At present, most of the FD methods in finite-frequency domain are constructed for deterministic systems. However, in practical NCSs, the occurrence of the network-induced phenomena is a random process. Therefore, the existing FD methods cannot be utilized to NCSs directly. On the other hand, due to the limitation of transmission channel bandwidth and the different geographical distribution of the sensors, the outputs of NCS must be transmitted via multi-packet. Based on the above reasons, it is a serious problem to investigate new and effective FD scheme in finite-frequency domain for NCSs under multi-packet transmission mechanism. Firstly, the project explores the new features when network-induced phenomena and system failures occurred simultaneously under different multi-packet transmission mechanism, models the whole NCS, and establishes the relationship between the transmission mechanism and the system performance. Subsequently, for different types of failures, the effective FD methods in finite-frequency domain will be given, and the design conditions related to frequency range and network-induced phenomena will be derived. Finally, the derived FD method will be simulated in relevant semi-physical simulation platform to verify its validity. This research item is of great importance from either the development of FD theory point of view or the design of the practical NCSs point of view.

本项目旨在有限频域内研究多包传输网络控制系统的故障检测方法。目前，在有限频域内给出的故障检测方法多是针对确定性系统。然而，在实际网络控制系统中，网络现象的发生往往是随机的，这种情况下，已有的故障检测策略便会失效。另一方面，由于传输通道带宽的限制、传感器在不同的地理位置分布等原因，系统的输出信息必须通过多个数据包进行传输。因此，针对多包传输的网络控制系统，在有限频域内探索新的有效的故障检测方案是亟待解决的问题。项目首先探究在不同的多包传输机制下，网络现象与故障同时发生时系统出现的新特征，建立系统的模型，给出传输机制与系统性能之间的关系；其次，针对不同类型的故障，在有限频域内构造有效的故障检测方案，给出与频率范围及网络现象相关的设计条件；最后，将所得出的故障检测方法在半实物仿真平台进行仿真，以验证其有效性。本项目的开展对故障检测理论的发展及实际网络控制系统的设计都具有重要的意义。

本项目完成了项目计划书中的研究内容与研究计划，取得了一些有意义的成果。主要针对多包传输的网络控制系统，在有限频域内提出了一系列故障检测方法。共发表标注基金号的论文13篇。项目负责人龙跃入选辽宁省百千万人才工程人选（2016年）。龙跃担任中国自动化学会青年工作委员会委员。. 本项目的创新工作主要集中在如下方面：1）多包传输且每个时刻只有一个数据包进入通讯通道时的故障检测问题：针对多包传输且具有丢包的网络控制系统，给出了其存在传感器故障时的故障检测方法；针对多包传输且传输规则符合非时齐马尔科夫过程的网络化系统，在有限频范围内给出了有效的故障检测方法。并研究了系统鲁棒性和故障敏感性之间的关系。 2）多包传输且存在网络诱导时延及丢包现象时的故障检测和隔离问题：分别基于切换策略和随机系统框架，研究了存在通讯受限网络控制系统的有限频滤波问题；针对多包传输、时延和丢包等多种网络现象共存时的网络控制系统，借助几何变换方法，给出了有效的故障检测和隔离方案。