基于卡尔曼滤波器的网络控制系统的故障检测.pdf

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1、18<电气开关>(2010．No．5)文章编号：1004—289X(2010)O5—0018—03基于卡尔曼滤波器的网络控制系统的故障检测陈雨，张颖伟(1．广西大学行健文理学院，广西南宁530005；2．东北大学自动化研究所，辽宁沈阳110004)摘要：网络控制系统的故障检测是一个新的研究课题。充分考虑了网络控制系统的延时特性，并基于观测器的方法来分析网络控制系统的特性。只考虑从传感器到控制器的网络时延，构造一个具有时延补偿功能的最优观测器来估计系统的全部状态，最后得出系统的残差只跟故障和噪声有

2、关的结论。关键词：网络控制系统；故障检测；卡尔曼滤波器中图分类号：TN713文献标识码：BFaultDetectionoftheNetworkedControlSystemBasedonKalmanFilterCHENYu，ZHANGYing．wet‘(1．XingjianCollegeofScienceandLiberalArts，GuangxiUniversity，Nanning530005，China；2．Auto-marionInstitute，NortheasternUniversit

3、y，Shenyang110004，China)Abstract：ThefaultdetectionofNCSisanewresearchtopic．ThepaperconsidersNCStime—delayandanalyzesthecharacteristicsofNCSbasedontheobservermethod．Onlyconsideringthetime—delaybetweenthesensorandthecon—troller，anoptimalestimatorwithtim

4、e—delaycompensationfunctionisconstructedtoestimatethewholestateofthesys-tem，atlasttheconclusionthatthesystemresidualsignalisonlyrelatedtofaultandnoiseisobtained．Keywords：networkedcontrolsystem；faultdetection；Kalmanfilter求解观测器的反馈增益矩阵。1引言网络控制系统(NCS，Net

5、workedControlSystem)是指传感器、控制器和执行器机构通过串行通讯网络形成的闭环的控制系统。近年来关于网络控制系统的稳定性研究取得了大量的成果。文献[1]考虑网络时延大于一个采样周期情况下变采样网络控制系统的稳定性分析。但其没有图1网络控制系统的结构图考虑到网络控制系统的故障检测问题。文献[2]将网考虑如图1所示的网络控制系统，为方便研究，作络控制系统视为时延的采样控制系统然后建立了无记如下假设：忆的降阶观测器，通过观测器输出和系统实际输出的(1)传感器、控制器均采用时钟驱动，传

6、感器数据比较来对系统进行故障检测，但其并未考虑延时对系带有采样周期标识；统的影响；文献[3]基于卡尔曼滤波器对网络控制系(2)网络仅存在于传感器与控制器之间，传感器统进行了故障检测，但并未给出具体的观测器增益矩数据采用单包传输模式；阵的求取。本文基于上述文献来继续探讨基于最优观(3)网络诱导时延为有界的，即0<丁1，测器一一卡尔曼滤波器的网络控制系统的故障检测问并且假设时延值可在线获取，由假设(1)可知，网络诱题。卡尔曼滤波器考虑到了系统存在随机干扰的影导时延是采样周期的整数倍，假设

7、这个延时周期数为响，并按照状态重构误差的方差为最小准则来设计和z，可见本文研究的是长时延网络控制系统。<电气开关》(2010．No．5)19一步预报估计误差协方差阵；2带时延的卡尔曼滤波器的构造曼()垒(kl)——时刻的状态估计；引入过程噪声和测量噪声，系统方程如下P(k)=Ee(k)CT()——时刻的状态估计误差(k+1)=Ax(k)+—Bu()+，()协方差阵。Y(k)=Cx(k)+W(k)(1)3网络控制系统的故障检测其中，EER是状态向量；∈R是控制输入向量；Y∈R是可测输出。假设W(k

8、)和(k)均为高斯白若网络控制系统中发生了故障，则系统模型为噪声序列，且有(k+1)=Fx(k)+Bu(k)=Bk)=Fv(k)Ev(k)=0，Ev()(k)：V(7)Ew(k)=0，Ew(k)W(k)=IVY(k)=Cx(k)+DI(k)+(k)(8)为正定对称阵，为非负定对称阵，并设()k)是故障向量，包括传感器故障和传感器故障，矩和口(k)是不相关的，即有con(w(k)，(k))=0。阵B，，D，，有适当维数。使用迭代学习的方法构造卡尔曼滤波器来补偿时根据前面已有的理论，得到此时控制器的