一种在网络环境下切换模糊系统故障检测滤波方法及装置

本发明涉及自动控制，特别是涉及一种在网络环境下切换模糊系统故障检测滤波方法及装置，适用于带宽受限网络环境下的非线性切换系统。

背景技术：

1、现有的切换模糊系统故障检测滤波方法，大多使用驻留时间或平均驻留时间框架，这类方法本质上对系统切换频率施加了内在约束，因而难以精准刻画快切换系统的动态行为。另外，在网络环境下，为了克服传统周期采样造成的网络资源浪费，事件触发机制被提出并得到了广泛应用。该机制仅在预定义触发事件被违反时才进行数据传输，显著提升了通信效率。然而，在切换背景下，如何设计能够敏锐感知系统切换行为的触发策略，仍是开放性问题。除此之外，在数字通信网络中，系统状态或测量输出在传输前不可避免地需要进行量化处理。由此产生的量化误差会影响故障检测性能。更为复杂的是，事件触发、量化效应与切换动态三者相互交织，极大地加剧了系统分析与综合的难度。

2、因此，在持续驻留时间切换机制和网络环境约束下，设计有效的切换模糊系统故障检测滤波器以保证系统满足全局一致渐近稳定并具有性能，是解决当前技术瓶颈的关键所在。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种在网络环境下切换模糊系统故障检测滤波方法及装置，使其用于保证系统满足全局一致渐近稳定并具有性能。

2、本发明提供的一种在网络环境下切换模糊系统故障检测滤波方法，包括如下步骤：s1、构建持续驻留时间切换下t-s模糊系统模型；s2、基于t-s模糊系统模型设计具有扰动的切换事件触发机制与动态量化器以有效降低有限网络带宽下的通信开销；s3、引用加权故障函数，设计在网络环境下切换模糊故障检测滤波器；s4、利用模糊故障检测滤波器构造滤波误差系统，并利用残差评估函数检测系统故障是否发生；s5、借助lyapunov稳定性理论，保证滤波误差系统的稳定性并满足预设的性能指标；s6、利用合适的解耦技巧，获得滤波器增益矩阵、事件触发矩阵和动态量化参数的协同设计方法。

3、在上述技术方案中，所述s1步骤包括如下内容：s11、建立包含模糊规则和切换信号的非线性系统模型，即对于第i个激活子系统，系统规则为：如果为且为，那么：其中，，，，，，，和分别表示模糊规则的数量、模糊集、前提变量、状态向量、输出向量、待检测的故障向量和外部扰动；，，，是已知的系统矩阵；是持续驻留时间切换信号，是子系统的数量，具体而言，所述s1步骤的具体过程如下：s111、给出切换信号的假设：切换信号是左连续的，即除了是切换时刻，对于，成立；s112、给出切换信号的定义：假设持续驻留时间切换信号存在无限多个长度不小于的互不相邻间隔，并且这些间隔被最大长度为的连续区间隔开，那么被称为切换信号的持久驻留时间，为持续时间；s113、切换模糊系统模型可以重新组织为：其中，表示模糊函数，表示在中的隶属度，且，以及，。

4、在上述技术方案中，所述s2步骤的具体过程如下：s21、为了降低有限网络带宽下的通信开销，设计具有扰动的切换事件触发方案，其中，为当前的事件触发时刻，则下一个触发时刻由如下触发条件确定：

5、

6、其中，，，，，，为触发矩阵和为给定的事件触发阈值参数；s22、在事件触发通信协议的基础上使用动态量化方案进一步减少数据的传输，所述动态量化器表示为：其中，是一个动态参数，表示静态量化器并满足：

7、

8、其中，和分别是量化器的范围和量化误差。此外，满足，为待设计的变量。

9、在上述技术方案中，所述s3步骤包括如下内容：s31、假设滤波器与系统模型共享相同的模糊前提变量，那么切换模糊故障检测滤波器可以表示为：其中，为滤波器状态向量，为实际输入滤波器的量化信号和为滤波器生成的残差信号；分别为待设计的滤波器增益矩阵，具体而言，所述s3步骤的具体过程如下：s311、在网络环境下，事件触发机制传输数据存在传输延迟，由时滞变换法设和，则可以得到其中，假设，则，进一步可得；s312、根据时滞变换法，切换模糊故障检测滤波器可以表示为：

10、其中，，并且在区间上，下式成立：

11、；

12、s313、使用一个加权故障函数以提高故障检测系统的动态性能，其中是先验已知的，并且的状态空间为：

13、其中，为加权系统的状态向量，且初始状态；为已知矩阵。

14、在上述技术方案中，所述s4步骤的具体过程如下：s41、定义滤波误差向量，和估计残差信号，则滤波误差系统为：

15、

16、其中，

17、

18、；

19、s42、设置为残差评估函数和阈值为无故障及能量有界扰动情形下的上确界，其具体形式为：

20、因此，的值超过阈值就可以识别出故障。

21、在上述技术方案中，所述s5步骤的具体过程如下：

22、s51、给出如下定义：对于已知的持续驻留时间切换切换信号和初始条件，假设，存在一类函数可以确保成立，并且，那么当扰动时，系统是全局一致渐近稳定的；s52、性能：对于给定的和任意非零扰动，在零初始条件下滤波误差系统满足；s53、给出以下引理1、引理2、引理3、引理4和定理1：引理1，具体为：对于给定的，，以及，以下积分不等式成立

23、

24、其中，

25、；

26、引理2，具体为：对于且，则在区间上可得；引理3，具体为：假设切换序列并非先验已知，但可以瞬时获得，则当且时，第个子系统被激活且时间间隔长度为，设表示所有连续切换的最小驻留时间，并且，为正常数，在任意长度为的时间间隔内，最大切换次数；此外，设在任意区间中的总切换次数为，那么可以得到；引理4，具体为：对于给定的标量,,,，假设存在一个切换李雅普诺夫函数，以及满足以下条件的函数,

27、

28、

29、则可以说明系统是全局一致渐进稳定的，并且持续驻留时间切换信号满足：；定理1，具体为：考虑标量和，基于引理4，滤波误差系统满足全局一致渐近稳定性和性能的充分条件是：对于，存在，和，标量，事件触发矩阵，动态量化参数使得pdt切换信号满足和以下不等式成立

30、

31、

32、其中，

33、

34、

35、；s54、根据滤波误差系统建立lyapunov函数，并基于函数运算和定理1证明滤波误差系统满足全局一致渐近稳定性和性能。

36、在上述技术方案中，所述s54步骤的具体过程如下：

37、s541、构造lyapunov函数：

38、；

39、s542、根据lyapunov函数，存在正实数和满足：

40、其中，

41、和分别表示矩阵的最小特征值和最大特征值，上式确保引理4中的条件式成立，并且定理1中的条件也确保引理4中的条件式成立；s543、基于引理1，滤波误差系统满足全局一致渐近稳定性条件是时，，即，

42、

43、其中，

44、

45、

46、根据定理1中的条件可得上式，因此，根据引理4可知滤波误差系统满足全局一致渐近稳定性；s544、对于，滤波误差系统满足性能，具体为

47、

48、其中，

49、，利用引理2和引理3可以得到

50、

51、其中，。

52、在上述技术方案中，所述s6步骤的具体过程如下：s61、给出以下引理5和定理2：引理5，具体为：对于任意对称的和，以及对于以下不等式成立；

53、定理2，具体为：

54、考虑标量，和，基于引理4，滤波误差系统满足全局一致渐近稳定性和性能的充分条件是：对于，存在，事件触发矩阵，，滤波增益矩阵，动态量化参数，使得pdt切换信号满足和以下不等式成立：

55、

56、

57、其中，

58、

59、

60、

61、

62、

63、

64、并且期望的故障检测滤波器增益矩阵由下式确定：；

65、s62、对定理1矩阵不等式中的、非线性耦合项和，得到所需的滤波器增益矩阵，事件触发矩阵，和动态量化参数。

66、在上述技术方案中，所述s62步骤的具体过程如下：

67、s621、定义，消除定理1中的非线性耦合项，然后设置矩阵，，并对定理1中的不等式左乘和右乘，同时利用引理得5可，其中，为可调标量参数；根据，消除非线性耦合项，根据定理2中的矩阵不等式，即保证；

68、s622、在定理2中不等式限定条件下利用matlab工具箱，求解期望的滤波器增益矩阵，事件触发矩阵，，动态量化参数中的标量。

69、本发明还提拱了一种在网络环境下切换模糊系统故障检测滤波装置，具有计算机程序，该计算机程序能够执行在网络环境下切换模糊系统故障检测滤波方法。

70、本发明在网络环境下切换模糊系统故障检测滤波方法及装置，具有以下有益效果：

71、本发明在持续驻留时间切换机制和网络环境约束下，通过有效的切换模糊系统故障检测滤波器保证了系统满足全局一致渐近稳定并具有性能。使得在切换背景下，能够敏锐感知系统切换行为的触发策略，在数字通信网络中，系统状态或测量输出在传输前的量化处理误差对故障检测性能的影响较小，其中，在系统的分析与综合过程中，事件触发、量化效应与切换动态三者交织的难度大大降低。