عنوان

تخمین و کنترل تحمل پذیر عیب برای کلاسی از سیستم های غیرخطی تحت کنترل شبکه

پ۲۶۴۲۵

per

تخمین و کنترل تحمل پذیر عیب برای کلاسی از سیستم های غیرخطی تحت کنترل شبکه

فرزانه جانی

مهندسی برق و کامپیوتر

۱۴۰۰

۱۲۳ص.

سی دی

دکتری

برق-کنترل

۱۴۰۰/۱۱/۱۲

سیستم‌های کنترل تحت شبکه، سیستم‌های کنترل دارای فیدبک هستند که در آنها، حلقه‌ها‌ی کنترل توسط شبکه‌ها‌ی ارتباطی بسته می‌شوند. این سیستم‌ها به دلیل مزایای فراوانی که دارند، کاربرد زیادی در صنعت اتومبیل، هواپیما، پزشکی و جراحی از راه دور یافته‌اند. در مقایسه با سیستم‌های معمولی، وجود شبکه‌ ارتباطی در حلقه‌ کنترل، چالش‌هایی را در سیستم ایجاد می‌کند که باعث کم شدن کارایی و یا حتی ناپایداری سیستم کنترل می‌شود. از جمله‌ این چالش‌ها می‌توان به وجود تأخیر ناشی از شبکه، از دست دادن بسته‌ داده‌ و جابه‌جایی بسته‌ داده‌ اشاره نمود. وجود این امر، تحلیل و طراحی چنین سیستم‌هایی را بسیار پیچیده می‌کند. با پیچیده شدن سیستم‌ها، احتمال رخ دادن عیب به مراتب بیشتر می‌شود و نادیده گرفتن این امر موجب می‌شود تا بخشی از سیستم خراب شده و عملکرد کل سیستم را به خطر بیاندازد.از طرفی، افزایش تقاضا در رابطه با کیفیت بالا، عملکرد دقیق و عاری از مشکل موجب شده تا طراحی کنترل‌کننده‌ای که بتواند اثر عیوب اتفاق افتاده در سیستم را نیز جبران نماید، امری ضروری باشد. لذا در این رساله، به مبحث تخمین عیب و طراحی کنترل‌کننده‌ تحمل‌پذیر عیب برای کلاسی از سیستم‌های کنترل غیرخطی تحت شبکه پرداخته شده است.در رساله‌ پیش‌ِ رو، ابتدا به بررسی روش‌های موجود در این زمینه و کاستی‌های آنها پرداخته می‌شود. سپس در ادامه، بعد از ارائه‌ مقدمات و مفاهیم اولیه، روش مطرح شده در این رساله برای دسته‌ای خاص از سیستم‌های کنترل غیرخطی تحت شبکه بیان می‌شود. ترم غیرخطی در نظر گرفته شده، شرط لیپ‌شیتز را تضمین می‌کند. به دلیل وجود قیود شبکه از جمله تأخیر و حذف داده و همچنین اغتشاش در مدل‌سازی این نوع از سیستم‌ها، لازم است اثرات آن در طراحی کنترل‌کننده در نظر گرفته شود. تأخیر در نظر گرفته شده متغیر با زمان بوده که علاوه بر حد بالای تأخیر، حد پایین تأخیر نیز در روند طراحی ظاهر می‌شود. ابتدا با استفاده از رویتگر ورودی ناشناخته، عیب‌های محرک و حسگر هم‌زمان با حالت‌های سیستم تخمین زده می‌شوند. سپس با بهره‌گیری از روش لیاپانوف-کراسوفسکی چندگانه و رویکرد معیار H∞، شرایط کافی برای پایداری مجانبی سیستم حلقه بسته در قالب ناتساوی‌های ماتریسی غیرخطی، به دست می‌آید. سپس با استفاده از روش‌های مطرح شده، این ناتساوی‌های ماتریسی غیرخطی تبدیل به ناتساوی‌های ماتریسی خطی شده است.با توجه به اینکه از دیدگاه تئوری، پایداری مجانبی در بازه‌ زمانی محدود حاصل نمی‌شود و از طرفی با توجه به محدود بودن منابع انرژی، اکثر سیستم‌های واقعی نمی‌توانند به صورت نامحدود کار کنند، لذا طراحی کنترل‌کننده با رویکرد پایداری زمان-محدود واقع‌گرایانه می‌باشد. به همین جهت در ادامه‌ رساله، طراحی کنترل‌کننده با رویکرد پایداری زمان-محدود کانتراکتیو مطرح شده است تا در حضور اغتشاش و قیود شبکه، عیب‌های به وقوع پیوسته، تخمین زده شوند و با اعمال سیگنال کنترلی مناسب، اثر عیوب اتفاق افتاده به خوبی جبران شود و پایداری سیستم حلقه بسته با عملکرد قابل قبول در زمان تعیین شده، تضمین شود. همچنین با توجه به محدود بودن پهنای باند شبکه‌های ارتباطی در سیستم‌های تحت شبکه، در گام بعدی برای ذخیره‌ منابع شبکه و جلوگیری از ارسال داده‌های غیرضروری به شبکه، از تولیدکننده‌ رویداد تطبیقی که قابلیت تصمیم‌گیری برای ارسال داده‌های نمونه‌برداری شده را دارد، بهره گرفته شده است. در این روش برای مدل کردن حذف داده در مسیر انتقال، از متغیر تصادفی با توزیع برنولی استفاده شده است. در نتیجه، در ادامه رساله، طراحی کنترل‌کننده با هدف پایداری زمان-محدود کانتراکتیو با رویکرد رویداد-تحریک تطبیقی مطرح می‌شود. در پایان، شبیه‌سازی‌های رساله جهت تایید کردن کارایی روش‌های مطرح شده ارائه می‌شود

Abstract: Networked control systems are feedback control systems wherein the control loops areclosed through communication networks. Networked control systems have many advantages so they are widely used in the automobile industry, aircraft, medical and teleoperation. Compared with the conventional systems, the presence of communication network in the control loop creates some challenges in the system which reduce the efficiency of the control system or even instability. These challenges include network-induced delay, data packet loss and data packet disorder. This makes the analysis and design of such systems very complicated. As systems become more complex, the likelihood of occuring the fault in the system will increase, and ignoring this can cause part of the system to malfunction and endanger the performance of the entire system.On the other hand, due to the increasing requirements of high quality, accurate and trouble-free operation has made it necessary to design a controller that can compensate the effects of faults in the system. Therefore, in this paper, the issue of fault estimation and design of fault tolerant controller for a class of nonlinear networked control systems is discussed. In the present thesis, first, the existing methods in this field and their shortcomings will be addressed. Then, after presenting the basics, the proposed method in this thesis will be stated for a class of nonlinear networked control systems. The considered nonlinear term guarantees the Lipshitz condition. Due to the network constraints such as delay and data dropouts as well as disturbances in the modeling of this type of systems, it is necessary to consider their effects in the controller design. The considered delay is time varying that in addition to the higher bound of delay limit, the lower bound also appears in the design process. First, the actuator and sensor faults are estimated simultaneously with the system states using an unknown input observer. Then, using the Lyapunov-Krasovskii functional approach and considering the H∞ performance, some sufficient conditions are obtained to guarantee the asymptotic stability of the closed loop system in the form of nonlinear matrix inequalities. Then, using the proposed methods, these nonlinear matrix inequalities are transformed into linear matrix inequalities. Due to the fact that from an theoretical point of view, asymptotic stability is not achieved in a limited period of time, and on the other hand, due to limited energy resources, most of the practical systems can not work indefinitely, so the controller design with finite-time contractive approach is more realistic. Therefore, in the continuation of the thesis, the controller design with finite-time contractive approach is proposed such that in the presence of disturbances and network constraints, the occured faults are estimated. Then by applying the appropriate control signal, the effect of faults is well compensated and the stability of the closed loop system is guaranteed in finite time with acceptable performance. Also, due to the limited bandwidth of communication networks in networked systems, in the next step , an adaptive event generator has been used which can decide to send the sampled data to save the network resources and prevent sending unnecessary data to the network. In this method, a random variable with Bernoulli distribution is used to model the data dropout in the transmission link. Therefore, in the continuation of the thesis, the controller design with the aim of finite-time contractive stability with the adaptive event-trigger approach is introduced. Finally, the simulations are presented to confirm the efficiency of the proposed methods.

Fault estimation and fault tolerant control for a class of nonlinear networked control systems

‏ فرزانه جانی،

تهيه کننده

هاشم زاده،

برادران نیا،

خراطی شیشوان،

‏ فرزاد

مهدی

حامد ‏

استاد راهنما

استاد راهنما

استاد مشاور

تبریز