طراحی کنترل‌کننده فیدبک خروجی تحمل‌پذیر عیب مقاوم برای کلاسی از سیستم‌های کنترل تحت شبکه با در نظرگرفتن مدل جدید برای عیب عملگر

نویسندگان

دانشکده مهندسی برق و الکترونیک - دانشگاه صنعتی شیراز

چکیده

این مقاله با ارائه یک مدل جدید و جامع برای عیب‌های عملگر، به مسئله طراحی کنترل‌کننده تحمل‌پذیر عیب مقاوم برای سیستم‌های کنترل تحت شبکه در حضور پدیده‌های تأخیر تصادفی، عدم قطعیت‌های مدل و عیب‌های عملگر پرداخته است. به این منظور، سیستم کنترل تحت شبکه مورد بررسی، ابتدا به شکل مناسبی در چارچوب سیستم‌های پرش مارکوف زمان-گسسته با احتمالات انتقال به صورت پاره‌ای نامعین مدل شده است. سپس مسئله طراحی کنترل کننده فیدبک خروجی استاتیک وابسته به مد به عنوان یک مسئله بهینه‌سازی محدب و در قالب نامساوی‌های ماتریسی خطی مورد مطالعه قرار گرفته است. شایان ذکر است که کنترل‌کننده طراحی‌شده پایداری تصادفی سیستم را در حضور عدم‌قطعیت‌ها و عیب‌های عملگرها تضمین می‌کند. در نهایت ضمن تأیید مباحث تئوری، کارایی و برتری روش مذکور، از طریق شبیه‌سازی‌های عددی نشان داده شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Design of robust fault-tolerant output feedback controller for a class of networked control systems considering a new actuator faults model

نویسندگان [English]

  • M. Bahreini
  • J. Zarei
Faculty of Electrical and Electronics Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran
چکیده [English]

This paper aims to present a novel and comprehensive model for actuator faults to address the problem of robust fault-tolerant controller design for networked control systems (NCSs) in the presence of phenomena such as random delays, model uncertainties, and actuator faults. For this purpose, firstly, the NCS has been appropriately modeled as discrete-time Markovian jump systems (MJSs) with partly-unknown transition probabilities. Then, the problem of mode-dependent static output feedback controller design has been studied not only as a convex optimization problem but also in the form of linear matrix inequalities (LMIs). Notably, the designed controller guaranteesthe stochastic stability of the closed-loop system in the presence of actuator faults and uncertainties. Finally, through numerical simulations, the theoretical results of this study are proved, and it has been shown that this method is more efficient and superior than other methods.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Networked control systems
  • random delays
  • Markovian jump systems
  • fault-tolerant controller
  • robust control
  • Linear matrix inequalities
[1]     M. T. Hamayun, C. Edwards and H. Alwi, Design and analysis of an integral sliding mode fault tolerant control scheme, In Fault Tolerant Control Schemes Using Integral Sliding Modes, Springer, 2016.
[2]     C. Peng, T.C. Yang and E.G. Tian, “Robust fault-tolerant control of networked control systems with stochastic actuator failure,” IET Control Theory & Applications, vol. 4, no. 12, pp. 3003-3011, 2010.
[3]      L.Y. Hao, J.H. Park and D. Ye, “Integral sliding mode fault-tolerant control for uncertain linear systems over networks with signals quantization,” IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, vol. 28, no. 9, pp. 2088-2100, 2017.
[4]     J. Chen, W. Zhang and Y.Y. Cao, “Robust reliable feedback controller design against actuator faults for linear parameter-varying systems in finite-frequency domain,” IET Control Theory & Applications, vol. 9, no. 10, pp. 1595-1607, 2015.
[5]     B. Liu, B. Qiu, Y. Cui, and J. Sun, “Fault–tolerant H∞ control for networked control systems with randomly occurring missing measurements,” Neurocomputing, vol. 175, pp.459-465, 2016.
[6]     F.Y. Wang, and Liu. Derong, Networked control systems: Theory and Applications, Springer-Verlag, London, 2008.
[7]     X.M. Zhang, Q.L. Han and X. Yu, “Survey on recent advances in networked control systems,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 12, no. 5, pp. 1740-1752, 2016.
[8]     D. Zhang, P. Shi, Q.G. Wang and L. Yu, “Analysis and synthesis of networked control systems: a survey of recent advances and challenges,” ISA Transactions, vol. 66, pp. 376-392, 2017.
[9]     J.P. Hespanha, P. Naghshtabrizi and Y. Xu, “A survey of recent results in networked control systems,” Proceedings of the IEEE, vol. 95, no. 1, pp. 138-162, 2007.
[10]  L. Zhang, H. Gao and O. Kaynak, “Network-induced constraints in networked control systems—A survey,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 9, no. 1, pp. 403-416, 2013.
[11]  A. Farnam and R.M. Esfanjani, “Improved stabilization method for networked control systems with variable transmission delays and packet dropout,” ISA Transactions, vol. 53, no. 6, pp. 1746-1753, 2014.
[12]  D. Yue, Q.L. Han and J. Lam, “Network-based robust H∞ control of systems with uncertainty,” Automatica, vol. 41, no. 6, pp. 999-1007, 2005.
[13]  L. Zhang, Y. Shi, T. Chen and B. Huang, “A new method for stabilization of networked control systems with random delays,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 50, no. 8, pp. 1177-1181, 2005.
[14]  L. Xiao, A. Hassibi and J.P. How, “Control with random communication delays via a discrete-time jump system approach,” In American Control Conference, pp. 2199-2204, 2000.
[15]  L. Zhang, Y. Shi, T. Chen and B. Huang, “A new method for stabilization of networked control systems with random delays,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 50, no. 8, pp. 1177-1181, 2005.
[16]  J. Wu and T. Chen, “Design of networked control systems with packet dropouts,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 52, no. 7, pp. 1314-1319, 2007.
[17]  L. Zhang, T. Yang, P. Shi and Y. Zhu, Analysis and design of Markov jump systems with complex transition probabilities, Springer International Publishing, 2016.
[18]  P. Shi and F. Li, “A survey on Markovian jump systems: modeling and design,” International Journal of Control, Automation and Systems, vol. 13, no. 1, pp. 1-16, 2015.
[19]  M.F. Braga, C.F. Morais, R.C. Oliveira and P.L. Peres, “Robust stability and stabilization of discrete-time Markov jump linear systems with partly unknown transition probability matrix,” In American Control Conference (ACC), pp. 6784-6789, 2013.
[20]  L. Zhang and J. Lam, “Necessary and sufficient conditions for analysis and synthesis of Markov jump linear systems with incomplete transition descriptions,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 55, no. 7, pp. 1695-1701, 2010.
[21]  M. Shen, S. Yan, G. Zhang and J.H. Park, “Finite-time H∞ static output control of Markov jump systems with an auxiliary approach,” Applied Mathematics and Computation, vol. 273, pp. 553-561, 2016.
[22]  M. Shen, S. Yan and G. Zhang, “A new approach to event-triggered static output feedback control of networked control systems,” ISA Transactions, vol. 65, pp. 468-474, 2016.
[23]  محسن بحرینی، طاهره بینازاده، ملیحه مغفوری فرسنگی، جعفر زارعی، «پایدارسازی تصادفی زمان-محدود توسط فیدبک خروجی برای سیستم کنترل تحت شبکه با رویکرد سیستم‌های پرش مارکوف»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، دوره 46، شماره 2، صفحه 35-25، تابستان 1395.
[24]  [24] L. Qiu, Y. Shi, J. Pan, B. Xu and H. Li, “Robust control for a networked direct-drive linear motion control system: design and experiments,” Information Sciences, vol. 370, pp. 725-742, 2016.
[25]  مریم کازرونی، علیرضا خیاطیان، سید علی‌اکبر صفوی، «کنترل غیرمتمرکز  تحمل‌پذیر عیب بر اساس مشاهده‌گر برای سیستم‌های غیرخطی به‌هم متصل شامل تأخیر زمانی»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 47، شماره 2، صفحه 663-653، تابستان 1396.
[26]  L. Xie, “Output feedback H∞ control of systems with parameter uncertainty,” International Journal of Control, vol. 63, no. 4, pp. 741–750, 1996.
[27]  M. Witczak, M. Buciakowski and C. Aubrun, “Predictive actuator fault-tolerant control under ellipsoidal bounding,” International Journal of Adaptive Control and Signal Processing, vol. 30, no. 2, pp. 375-392, 2016.