CN102143003A - 一种基于互联网的网络化三容水箱系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于互联网的网络化三容水箱系统，包括：三容水箱、第一网络化控制系统和第二网络化控制系统；第二网络化控制系统直接接入互联网，三容水箱通过第一网络化控制系统接入互联网。本发明构建了基于互联网的网络化三容水箱系统，力求使之成为验证网络化故障检测与容错控制算法的基准平台。该三容水箱系统立足于真实的物理系统、真实的观测数据以及真实的网络特性和真实的故障输入，可建立较为准确的数学模型，适合作为基准平台依照不同的评价标准对网络化故障诊断与容错控制理论方法进行评价与比较。

Description

一种基于互联网的网络化三容水箱系统

技术领域

本发明涉及智能检测领域，尤其涉及一种基于互联网的网络化三容水箱系统。

背景技术

网络技术的飞速发展使得越来越多的系统通过网络信道形成闭环，这些系统称为网络化系统(networked systems，NSs)。NSs有许多优于传统系统之处，诸如制造成本和能耗更低、易于安装维护和资源共享等等。但是引入带宽有限的网络也给系统的分析和设计带来了很多问题，如数据丢失、随机传输时延、信号量化、时序混乱等等，这些问题不可避免地会造成系统性能下降，甚至可能导致系统不稳定。

在过去的五年内，基于NSs的故障诊断(fault diagnose，FD)和容错控制(fault tolerant control，FTC)涌现出了不少令人振奋的研究成果。然而，现有的绝大多数研究结果都止步于数字仿真环节，即用简单的数值算例验证所提出的网络化故障诊断方法。数值例子无法准确反映真实的工业过程，不通过真实的实验也无法了解理论成果和实际应用之间的距离。所以，利用真实的网络化系统对故障诊断与容错控制算法进行检验与评估尤为重要。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于互联网的网络化三容水箱系统，以准确分析和诊断故障。

本发明提供了一种基于互联网的网络化三容水箱系统，包括：三容水箱、第一网络化控制系统和第二网络化控制系统；第二网络化控制系统接入互联网，三容水箱通过第一网络化控制系统接入互联网。

在一个示例中，第二网络化控制系统用于执行控制算法和故障诊断算法。

在一个示例中，还包括路由器和摄像机，摄像机和第一网络化控制系统通过路由器接入互联网；摄像机用于在线监控三容水箱。

在一个示例中，还包括上位机，所述上位机接入互联网，用于监控第一网络化控制系统和/或第二网络化控制系统的运行。

在一个示例中，第一网络化控制系统和第二网络化控制系统均包括网络化控制器，网络化可视控制组态软件和网络可视化监控组态软件；网络化控制器用于执行控制和诊断算法；网络化可视控制组态软件用于向网络化控制器下载控制和诊断算法；网络可视化监控组态软件用于观测实验数据。

在一个示例中，上位机安装有网络化可视控制组态软件和网络可视化监控组态软件。

在一个示例中，三容水箱系统的型号为DTS200。

本发明构建了基于互联网的网络化三容水箱系统，力求使之成为验证网络化故障检测与容错控制算法的基准平台。该三容水箱系统立足于真实的物理系统、真实的观测数据以及真实的网络特性和真实的故障输入，可建立较为准确的数学模型，适合作为基准平台依照不同的评价标准对网络化故障诊断与容错控制理论方法进行评价与比较。

附图说明

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中：

图1是网络化三容水箱系统的结构框图；

图2是网络化三容水箱故障检测框图。

具体实施方式

本发明提供的基于互联网的网络化三容水箱系统由一个DTS200三容水箱(Three Tank System，TTS)、两个网络化控制系统(NETworked CONtrol，NetCon)、一个网络摄像机、一台上位机及互联网组成。

DTS200三容水箱是由德国Amira自动化公司提供的一个多输入多输出的非线性实验系统，该水箱系统为非线性系统，可获得准确的数学模型，而且可以方便地手工增加故障。

三容水箱包括第一塑料柱、第二塑料柱和第三塑料柱，第一塑料柱、第三塑料柱和第二塑料柱由三个圆柱形塑料容器组成。三个容器横截面积相等(记为S_a)并通过横截面积为S_n的塑料管两两相连。第二塑料柱的底端有一个手动阀门可将第二塑料柱中的水放至下方的贮水池中，而第一水泵和第二水泵可将贮水池中的水打入第一塑料柱与第二塑料柱，通过调节第一水泵和第二水泵的流量控制第一塑料柱和第二塑料柱的液位，而第三塑料柱的液位不予控制。各个水箱之间、水箱与贮水池之间的连接管上均装有塑料阀门，通过人为制造添加水箱的泄漏故障、连接管阻塞故障、执行器增益故障、传感器增益故障及执行器卡死故障。

NetCon系统是基于内部网/互联网的实时控制系统教学和研究平台，由中科院自动化所高新控制与信息技术组与英国格拉摩根大学先进控制与网络技术研究组共同开发完成。它主要由三部分软硬件组成：网络化控制器(NetController)，网络化可视控制组态软件(NetConLink)和网络可视化监控组态软件(NetConTop)。

NetCon系统由于与Matlab/Simulink环境的无缝连接，在Simulink中设计的控制或诊断算法可通过NetConLink在几秒内自动完成代码的生成并下载到NetController中执行。在Windows操作系统下，可通过NetConTop快速构造和生成上位机图形化监控程序，对运行在NetController中的系统的实时运行情况进行监控。在本平台中，NetCon系统用来实现控制算法和故障诊断算法并充当与网络的接口。

网络摄像机可以实时在线监控水箱系统。上位机用来对系统运行进行观测。网络用作数据传输。

基于以上各部分可构建基于互联网的网络化三容水箱系统。三容水箱系统结构如图1所示，由一个三容水箱系统、两个NetCon系统，一个网络摄像机、一个用于监控的上位机通过互联网组成。三容水箱系统放置在中国北京市的清华大学校内，通过NetCon 1(IP地址：166.111.72.21)与互联网连接，进行数据交互；一个SONY网络摄像头(IP地址：166.111.72.26)放置在三容水箱附近，使得实验人员可以在世界上任何地点通过网页对实验情况进行监控；另一个NetCon系统NetCon 2(IP地址：193.63.131.219)用于控制算法和故障诊断算法，放置于英国格拉摩根大学，通过网线与外界传递数据。研究人员可以在世界上任何一个可以连接互联网的地方利用NetConLink对NetCon 2下载算法开始实验，并通过NetConTop对实验数据进行实时观测。实验过程中，不失一般性并为方便起见，上位机设在清华大学(IP地址：166.111.72.18)。

基于互联网的网络化三容水箱系统框图如图1所示。在三容水箱系统中，控制器和故障检测算法同处三容水箱系统远端，通过Internet传递数据，由于网络带宽有限，信号在传递过程中可能会出现时滞甚至丢失现象。三容水箱系统建模基本上包括两部分内容：三容水箱系统的建模和数据的网络传输建模。

对于连续时刻t，用代表T_i的液位高度(i＝1，3，2)，在

假设下，由广义的Torricelli法则可得如下非线性系统：

$\frac{{\mathrm{dh}}_t^{\left(1\right)}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{S_a}{\mathrm{az}}_1{S}_n\sqrt{2g(h_t^{\left(1\right)}-h_t^{\left(3\right)})}+\frac{1}{S_a}{Q}_t^{\left(1\right)}+d_t^{\left(1\right)}+f_t^{\left(1\right)}$

$\frac{{\mathrm{dh}}_t^{\left(2\right)}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{S_a}{\mathrm{az}}_3{S}_n\sqrt{2g(h_t^{\left(3\right)}-h_t^{\left(2\right)})}-\frac{1}{S_a}{\mathrm{az}}_2{S}_n\sqrt{2g{h}_t^{\left(2\right)}}+\frac{1}{S_a}{Q}_t^{\left(2\right)}+d_t^{\left(2\right)}+f_t^{\left(2\right)}---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{dh}}_t^{\left(3\right)}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{S_a}{\mathrm{az}}_1{S}_n\sqrt{2g(h_t^{\left(1\right)}-h_t^{\left(3\right)})}-\frac{1}{S_a}{\mathrm{az}}_3{S}_n\sqrt{2g(h_t^{\left(3\right)}-h_t^{\left(2\right)})}+d_t^{\left(3\right)}+f_t^{\left(3\right)}$

对于i＝1，3，2，az_i∈(0，1)为水箱T_i的流出系数，

为打水过程中液面波动的等效，

为可能的故障，实验过程中由人工设置。

分别为与T₁和T₂连接的水泵的进水量。

系统参数为：

S_a＝0.0154m²，S_n＝5×10^-5m²，g＝9.8m/s²

H_max＝0.62m，Q_1max＝93m³/s，Q_2max＝91m³/s

引入如下变量：

$x_t=\left[\begin{array}{c}{h}_t^{\left(1\right)}\\ h_t^{\left(2\right)}\\ h_t^{\left(3\right)}\end{array}\right],u_t=\left[\begin{array}{c}{Q}_t^{\left(1\right)}\\ Q_t^{\left(2\right)}\end{array}\right],y_t=\left[\begin{array}{c}{h}_t^{\left(1\right)}\\ h_t^{\left(2\right)}\end{array}\right],d_t=\left[\begin{array}{c}{d}_t^{\left(1\right)}\\ d_t^{\left(2\right)}\\ d_t^{\left(3\right)}\end{array}\right],f_t=\left[\begin{array}{c}{f}_t^{\left(1\right)}\\ f_t^{\left(2\right)}\\ f_t^{\left(3\right)}\end{array}\right]---\left(2\right)$

算中

为系统状态，

为控制输入，为测量输出(实验过程中仅利用两个观测)，

为扰动信号，

为故障信号。对于指定的控制量u_Δ，将系统的平衡点记为

据此，可将原非线性方程写成如下形式的增量线性模型：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dx}}_t}{\mathrm{dt}}=A^c{x}_t+B_u^c{u}_t+B_d^c{d}_t+B_f^c{f}_t\\ y_t=C^c{x}_t\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，

$A^c=\left[\begin{array}{ccc}\frac{-{\mathrm{az}}_1{\mathrm{gS}}_n}{S_a\sqrt{2g(h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(1\right)}-h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(3\right)})}}& 0& \frac{{\mathrm{az}}_1{\mathrm{gS}}_n}{S_a\sqrt{2g(h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(1\right)}-h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(3\right)})}}\\ 0& \frac{{\mathrm{az}}_3{\mathrm{gS}}_n}{S_a\sqrt{2g(h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(3\right)}-h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(2\right)})}}-\frac{{\mathrm{az}}_2{\mathrm{gS}}_n}{S_a\sqrt{2g{h}_{\mathrm{\Δ}}^{\left(2\right)}}}& \frac{{\mathrm{az}}_3{\mathrm{gS}}_n}{S_a\sqrt{2g(h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(3\right)}-h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(2\right)})}}\\ \frac{{\mathrm{az}}_1{\mathrm{gS}}_n}{S_a\sqrt{2g(h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(1\right)}-h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(3\right)})}}& \frac{{\mathrm{az}}_3{\mathrm{gS}}_n}{S_a\sqrt{2g(h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(3\right)}-h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(2\right)})}}& \frac{-{\mathrm{az}}_1{\mathrm{gS}}_n}{S_a\sqrt{2g(h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(1\right)}-h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(3\right)})}}-\frac{{\mathrm{az}}_3{\mathrm{gS}}_n}{S_a\sqrt{2g(h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(3\right)}-h_{\mathrm{\Δ}}^{\left(2\right)})}}\end{array}\right]$

$B_u^c=\frac{1}{S_a}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\end{array}\right],$ $B_d^c=B_f^c=\frac{1}{S_a}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ $C^c=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\end{array}\right].---\left(4\right)$

实验中，选取一个采样周期T_s对连续系统离散化，则以上变量分别写作x_k，u_k，y_k，d_k和f_k的形式，并得到系统的离散化线性模型。

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k+1}={\mathrm{Ax}}_k+B_u{u}_k+B_d{d}_k+B_f{f}_k\\ y_k={\mathrm{Cx}}_k\end{array}\right.---\left(5\right)$

在以上各变量中，观测信号和控制信号均通过互联网传输，可能出现时滞和丢失现象，用如下方程描述网络的特性：

${\tilde{y}}_k=\underset{i=0}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}({\mathrm{\τ}}_k,i)y_{k-i},$ $u_k=\underset{i=0}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}({\mathrm{\τ}}_k,i)v_{k-i}---\left(6\right)$

其中v_k为控制器计算出的原始的控制量，

和u_k为y_k和v_k经过网络传输之后的信号。δ(τ_k，i)为标准δ函数，在τ_k＝i时值为1，其余情况下其值为0。在某时刻k，τ_k为取值于{-1，0，1，…，q}的随机变量，用以表示当前时刻的传输时延以及数据是否丢失，其中q为实验得到的最大时延步数。对于-1≤i≤q，记Pr(τ_k＝i)＝p_i为已知标量。特别的，τ_k＝-1表示出现数据丢失，τ_k＝0表示理想传输无时延。

图2是基于互联网的网络化三容水箱故障检测与容错控制算法的实施框图。算法流程基于网络化三容水箱系统，传感器对液位的测量信号由第一网络化系统经过互联网传输到控制器端，故障诊断单元通过分析传输后的测量信号判断故障是否发生及其位置，并根据故障信息对控制器进行调整，得到的控制信号经过因特网传输之后，再通过执行器对三容水箱的液位进行控制。

为了了解该时刻网络的时滞和丢失特性，进行了大量重复实验，并发现网络特性在一段时间内不发生剧烈变化。这符合网络特征主要受网络负载的影响，而网络的并行用户数量通常随时间缓慢变化的事实。例如，为了得到τ_k的分布律，在北京时间2009年9月22日16:00到16:20时段对网络特性进行了统计实验：利用NetCon1产生时钟信号并将其发送到NetCon2，而NetCon2收到该信号之后立刻将其回传给NetCon1，通过比较NetCon1产生和收到的时钟信号可以得到某一时刻的往返时滞和数据丢失信息。通过实验结果可知，实际的单程时滞为100-300ms，考虑到系统采样周期为T_s＝0.1s，可确定最大时滞为q＝3，所有大于q的时滞被视为丢失处理。τ_k分布律的统计结果如下：p_-1＝0.07％，p₀＝0.1％p₁＝42.95％，p₂＝32.34％，p₃＝24.54％。在不同的环境下通过实验均可以获得系统的网络特性。

基于互联网的三容水箱实验平台是典型的网络化系统，它具有合适的过渡过程时间(数分钟)，并支持在系统运行中人工设置各种故障，是验证网络化故障诊断与容错控制理论较为理想的实际系统。

三容水箱系统本质上是一个非线性强耦合的连续时间系统，通过选取合适的工作点，可将其线性化的系统描述；考虑采样周期进行离散化，可获得离散化的系统方程；考虑系统参数的测量偏差和运行过程中工作点的变化，可得到带有参数不确定性的系统方程。因此，该系统可为针对非线性系统、不确定系统等系统模型开发的故障诊断与容错控制算法提供应用和评估平台。

该系统的故障类别、建模及加注方法如表1所示。

表1基于互联网的三容水箱实验平台故障类型及加注方法

网络化故障诊断与容错控制算法的效果评估可以通过比较故障诊断速度、故障分离速度、虚报率、漏报率、故障分离正确率等常规指标实现。基于此实验平台，相应技术指标可通过统计实验得到。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于互联网的网络化三容水箱系统，其特征在于，包括：三容水箱、第一网络化控制系统和第二网络化控制系统；第二网络化控制系统接入互联网，三容水箱通过第一网络化控制系统接入互联网。

2.如权利要求1所述的三容水箱系统，其特征在于，第二网络化控制系统用于执行控制算法和故障诊断算法。

3.如权利要求1所述的三容水箱系统，其特征在于，还包括路由器和摄像机，摄像机和第一网络化控制系统通过路由器接入互联网；摄像机用于在线监控三容水箱。

4.如权利要求1或2所述的三容水箱系统，其特征在于，还包括上位机，所述上位机接入互联网，用于监控第一网络化控制系统和/或第二网络化控制系统的运行。

5.如权利要求4所述的三容水箱系统，其特征在于，第一网络化控制系统和第二网络化控制系统均包括网络化控制器，网络化可视控制组态软件和网络可视化监控组态软件；网络化控制器用于执行控制和诊断算法；网络化可视控制组态软件用于向网络化控制器下载控制和诊断算法；网络可视化监控组态软件用于观测实验数据。

6.如权利要求1或2所述的三容水箱系统，其特征在于，上位机安装有网络化可视控制组态软件和网络可视化监控组态软件。

7.如权利要求1或2所述的三容水箱系统，其特征在于，三容水箱系统的型号为DTS200。

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