鲁棒自适应故障检测与隔离方法研究

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随着现代控制系统的规模和复杂程度的不断增加,对系统安全性和可靠性的要求也越来越高。故障诊断技术的出现,为提高复杂系统的安全性和可靠性开辟了崭新的途径。近年来,在全频域和有限频域内,人们开始利用H_和H∞技术来刻画故障敏感性及扰动鲁棒性,并由此产生了很多有效的鲁棒故障诊断方法。但是这些方法仍存在一些不足之处。比如,已有H_和H∞技术不能直接应用到随机系统;与广义KYP引理相结合的有限频H_/H∞方法只适用于一类线性时不变系统;对某些带有小幅值卡死故障的控制系统已有技术是失效的等。另一方面,在基于自适应的故障诊断方法中也有一些问题需要解决。例如,为了取得完全的故障检测与隔离,已有方法要求传感器个数要大于或等于系统阶数(或故障个数),某些信号要满足持续激励条件;已有自适应技术无法检测与隔离幅值小的卡死故障等。针对上述问题,本文在前人工作的基础上,提出了若干新的故障诊断方法。首先,将与广义KYP引理相结合的有限频H_/H∞方法推广到了带有时延的线性时不变系统;通过从信号角度定义故障灵敏性能及扰动抑制性能,处理了随机系统的故障检测问题;利用残差输出在故障模态下对时变伺服信号的敏感性,本文提出了新的H_/H∞方法以检测幅值小的卡死型故障;另外,本文给出了凸的故障检测系统设计条件以保证故障灵敏性能。在基于自适应的故障诊断方法中,对一类非线性系统,本文去掉了传感器个数要大于或等于系统阶数(或故障个数)这一限制,并且不需要任何的持续激励条件;对一类线性反馈控制系统,通过将系统建模为多模型以及有效地利用伺服信号,本文提出了新的自适应方法用以检测与隔离幅值小的卡死型故障。本文的创新点总结如下:1.对确定性时延系统,我们提出了新的基于有限频的故障检测方法。通过直接描述故障与扰动的有限频特性,解决了频率加权带来的不准确性问题。与已有全频方法的比较证明了本文有限频方法的优越性。另一方面,对随机时延系统,我们从信号角度定义了故障灵敏性能及扰动抑制性能,并且给出了保证这些性能成立的线性矩阵不等式条件。特别的,当忽略随机和时延因素,上述不等式条件可改进已有的结果,即在全频域内对故障灵敏性能建立了可以准确衡量保守性的故障检测滤波器设计条件。2.对带有有限频伺服输入的线性反馈控制系统,本文提出了有效的方法以检测幅值小的卡死型故障。首先考虑所有可能的执行器卡死故障,将闭环系统建模为多模型,即故障模型和非故障模型。本文的一个创新点就在于设计残差使其在故障模态下对伺服输入敏感,而在非故障模态下对伺服输入保持鲁棒性。这样,即使执行器卡死故障的幅值很小,我们的策略仍然可以使残差信号在故障模态和非故障模态之间有很大差别,从而可以有效检测此类故障。需要强调的是本文对有限频域内的故障灵敏性能及扰动抑制性能均给出了凸的滤波器设计条件,并且可以准确衡量这些条件的保守性。3.由于闭环系统会对故障诊断性能产生影响,所以一些文献研究了同时故障检测与控制问题。但已有一些文献的一个共同点是检测器与控制器是同一个单元,这样会使检测性能与控制性能产生冲突。为了解决这一问题,本文设计一个动态观测器作为检测器并且同时设计了一个基于观测器的控制器。在有限频域内,通过构造新的矩阵分解形式,我们给出了检测器参数与控制器参数的同时设计方案。仿真算例说明本文的方法可以取得更好的检测与控制综合效果。4.对一类线性反馈控制系统给出了基于自适应技术的故障检测与隔离方法。通过有效利用伺服信号以及将系统建模为多模型,本文得到了明确的故障可检测与可隔离条件。这些条件显示我们的方法不但对幅值大的执行器卡死故障有效,而且对幅值小的执行器卡死故障(包括执行器中断故障)也是有效的。另外,我们所提出的自适应技术不需要任何的持续激励条件。5.本文研究了一类单输出非线性系统的故障检测与隔离问题。假设系统可能有q个故障,本文设计了q+2个观测器,其中一个为故障检测观测器,q个为自适应故障隔离观测器,还有一个是自适应状态估计观测器。通过利用这q+2个观测器的状态产生q+1个残差信号并设计零作为阈值,我们的方案解决了上述单输出非线性系统的故障检测与隔离问题。实际上,已有文献为了取得故障检测与隔离,要求传感器个数要大于或等于系统阶数(或是故障个数)。然而,在某些情况下,此条件是不能满足的,所以本文研究单输出系统是非常有意义的。最后对全文所做的工作进行了总结,并指明了下一步的研究方向。
摘要第5-7页
Abstract第7-9页
目录第10-13页
第一章 绪论第13-21页
    1.1 研究背景及意义第13-14页
    1.2 故障诊断技术研究综述第14-18页
        1.2.1 故障诊断的基本概念第14页
        1.2.2 故障诊断的发展现状第14-18页
    1.3 本文的主要工作第18-21页
第二章 预备知识第21-25页
    2.1 一些引理第21-24页
    2.2 本文使用的符号第24-25页
第三章 线性时延系统的有限频故障检测方法第25-47页
    3.1 引言第25页
    3.2 有限频H_-指标第25-28页
        3.2.1 线性时延系统的有限频H_-指标定义第25-26页
        3.2.2 线性时延系统H_-性能的LMI描述第26-28页
    3.3 连续时延系统第28-36页
        3.3.1 问题描述第28-29页
        3.3.2 故障灵敏性条件第29-32页
        3.3.3 干扰抑制条件第32页
        3.3.4 稳定性条件第32-33页
        3.3.5 故障检测观测器设计第33-34页
        3.3.6 仿真算例第34-36页
    3.4 离散时延系统第36-46页
        3.4.1 问题描述第36-37页
        3.4.2 故障检测滤波器设计第37-43页
        3.4.3 与已有技术的比较第43-44页
        3.4.4 仿真算例第44-46页
    3.5 结论第46-47页
第四章 线性随机系统的故障检测滤波器设计第47-79页
    4.1 引言第47页
    4.2 线性随机时延系统的故障检测滤波器设计第47-63页
        4.2.1 系统模型第47-48页
        4.2.2 问题描述第48-50页
        4.2.3 故障检测滤波器设计第50-61页
        4.2.4 仿真算例第61-63页
    4.3 基于多模型的随机系统的故障检测滤波器设计第63-78页
        4.3.1 系统模型第63页
        4.3.2 问题描述第63-65页
        4.3.3 故障检测方案第65-66页
        4.3.4 故障检测滤波器设计第66-75页
        4.3.5 仿真算例第75-78页
    4.4 结论第78-79页
第五章 带有有限频伺服信号的反馈控制系统故障检测第79-101页
    5.1 问题描述第79-84页
        5.1.1 系统模型第79-80页
        5.1.2 故障模型第80-81页
        5.1.3 闭环系统第81-83页
        5.1.4 问题描述第83页
        5.1.5 与已有结果的比较第83-84页
    5.2 全阶故障检测滤波器设计条件第84-93页
        5.2.1 高增益性能的不等式条件第84-89页
        5.2.2 小增益性能的线性矩阵不等式条件第89-90页
        5.2.3 稳定性条件第90-91页
        5.2.4 综合求解第91-93页
    5.3 降阶故障检测滤波器设计条件第93-94页
    5.4 仿真算例第94-100页
    5.5 结论第100-101页
第六章 线性系统的同时故障检测与控制器设计第101-123页
    6.1 引言第101页
    6.2 问题描述第101-104页
    6.3 小增益性能的LMI条件第104-114页
        6.3.1 低频域内小增益性能的LMI条件第104-110页
        6.3.2 高频域内小增益性能的LMI条件第110-114页
    6.4 稳定性条件第114-116页
    6.5 故障检测观测器与控制器参数求解第116页
    6.6 仿真算例第116-121页
    6.7 结论第121-123页
第七章 线性反馈控制系统的自适应故障检测与隔离第123-141页
    7.1 引言第123页
    7.2 问题描述第123-126页
        7.2.1 系统模型第123-124页
        7.2.2 故障模型第124页
        7.2.3 闭环系统及故障检测与隔离目标第124-126页
    7.3 基于自适应技术的故障检测与隔离观测器设计第126-133页
        7.3.1 故障隔离观测器设计第126-132页
        7.3.2 故障检测观测器设计第132-133页
    7.4 与已有结果的比较第133-134页
    7.5 仿真算例第134-140页
    7.6 结论第140-141页
第八章 一类非线性系统的自适应故障检测与隔离第141-159页
    8.1 引言第141页
    8.2 问题描述第141-143页
    8.3 故障检测与隔离第143-153页
        8.3.1 系统模型变换第143-144页
        8.3.2 自适应故障隔离观测器设计第144-152页
        8.3.3 故障隔离方案第152页
        8.3.4 故障检测观测器设计及故障检测方案第152-153页
    8.4 仿真算例第153-156页
    8.5 结论第156-159页
第九章 结论与展望第159-161页
参考文献第161-179页
致谢第179-181页
攻读博士学位期间所做的主要工作第181-183页
作者简介第183页
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