基于模型的線性控制系統(tǒng)故障診斷方法

前言

隨著工業(yè)過程和航空航天領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)可靠性和安全性要求的提高，故障檢測已經(jīng)成為當前研究的熱門課題之一。故障檢測方法大體可以分為基于數(shù)據(jù)和基于模型兩種。基于數(shù)據(jù)的方法主要是通過采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，利用一些統(tǒng)計分析的工具來確定系統(tǒng)有無故障，該方法主要應用于各種生產(chǎn)過程的故障監(jiān)測，如化工生產(chǎn)、半導體生產(chǎn)過程等。在對系統(tǒng)建立精確數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，人們提出了基于模型的故障檢測方法。這一方法可以快速檢測系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生的故障，適用于一些飛行控制系統(tǒng)等。需要指出的是，雖然基于模型的方法已經(jīng)得到長足的發(fā)展，但是某些故障檢測技術(shù)問題遠遠沒有解決。例如，采用加權(quán)函數(shù)來刻畫故障頻率范圍，會帶來不準確性，無法檢測小幅值卡死故障等。本書在作者近年來工作的基礎(chǔ)上，給出了新的基于模型的故障檢測方法，解決了頻率加權(quán)帶來的不準確性問題，可以準確地刻畫故障和干擾的有限頻特征；提出了基于穩(wěn)態(tài)和基于有限頻伺服信號的故障檢測方法，可以有效地檢測幅值很小的卡死型故障，尤其是中斷故障。這是已有故障檢測技術(shù)無法解決的。另外，本書針對實際系統(tǒng)中常常存在的不確定性情況，研究系統(tǒng)含有多胞不確定性時的故障檢測問題。將本書的一些結(jié)果用于VTOL飛機和F-18戰(zhàn)斗機的故障檢測濾波器或觀測器設(shè)計，仿真算例驗證本書提出方法的優(yōu)越性和有效性。全書共11章。第1、2章系統(tǒng)地分析和總結(jié)了故障檢測這一前沿研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及研究方法，給出與本書相關(guān)的一些預備知識。第3、4章分別研究線性系統(tǒng)沒有不確定性、具有不確定性時的故障檢測問題。通過同時滿足H.和H00性能指標，故障敏感性和干擾的魯棒性都得到了增強，引入新提出的廣義KYP引理來描述這兩個有限頻性能指標，可以對有限頻性能指標進行直接處理，避免了加權(quán)函數(shù)引入的保守性。第5、6章分別考慮具有多胞不確定性的線性系統(tǒng)、線性參數(shù)變化系統(tǒng)的同時故障檢測與控制問題。第7章主要考慮的是對線性不確定系統(tǒng)的故障估計問題。第8章研究一類不確定狀態(tài)反饋跟蹤控制系統(tǒng)的執(zhí)行器卡死故障檢測問題。第9、10章分別研究綜合故障檢測與控制、同時濾波與故障檢測問題。第11章研究帶有時變有限頻伺服信號的反饋控制系統(tǒng)故障檢測問題。第8-11章的共同特點是可以檢測任意小的執(zhí)行器或傳感器卡死型故障。

內(nèi)容概要

　　《基于模型的線性控制系統(tǒng)故障診斷方法》介紹了基于模型的線性控制系統(tǒng)故障檢測方法，突出了基于穩(wěn)態(tài)和依賴于伺服信號的檢測技術(shù)，解決了小幅值卡死故障檢測問題。此外，《基于模型的線性控制系統(tǒng)故障診斷方法》對線性不確定系統(tǒng)的同時故障檢測與控制器設(shè)計問題作了詳細闡述。利用有限頻方法刻畫故障和干擾的頻域特征，結(jié)合廣義KYP引理來設(shè)計各種故障檢測系統(tǒng)，是《基于模型的線性控制系統(tǒng)故障診斷方法》的又一特點?！痘谀Ｐ偷木€性控制系統(tǒng)故障診斷方法》可供高等院校相關(guān)專業(yè)本科生、研究生以及對故障檢測感興趣的科研工作者、工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

前言第1章 緒論1.1 引言1.2 故障檢測技術(shù)1.2.1 故障檢測技術(shù)分類1.2.2 基于模型的故障檢測方法1.3 本書的主要工作第2章 預備知識2.1 一些引理2.2 本書使用的符號第3章 基于有限頻的故障檢測方法3.1 有限頻H_指標3.1.1 有限頻H_指標定義3.1.2 由GKYP引理得出的H_指標3.2 故障檢測觀測器設(shè)計3.2.1 故障靈敏性條件3.2.2 干擾抑制條件3.2.3 穩(wěn)定性條件3.2.4 故障檢測觀測器設(shè)計3.3 仿真算例3.4 結(jié)論第4章 線性不確定系統(tǒng)的故障檢測濾波器設(shè)計4.1 問題描述4.1.1 系統(tǒng)模型4.1.2 問題描述與預備知識4.2 故障檢測濾波器設(shè)計：一個特殊情況4.3 故障檢測濾波器設(shè)計：一般情況4.3.1 干擾抑制條件4.3.2 故障檢測目標條件4.3.3 故障檢測濾波器設(shè)計方法4.4 仿真算例4.5 結(jié)論第5章 線性不確定系統(tǒng)的同時故障檢測與控制器設(shè)計5.1 問題描述5.1.1 系統(tǒng)模型5.1.2 問題描述與預備知識5.2 同時故障檢測與控制5.2.1 控制條件5.2.2 故障檢測條件5.3 解決方案5.3.1 第1步：狀態(tài)反饋設(shè)計5.3.2 第2步：輸出反饋設(shè)計5.3.3 閾值求解5.4 仿真算例5.5 結(jié)論第6章 線性參數(shù)變化系統(tǒng)的同時故障檢測與控制器設(shè)計6.1 問題描述與預備知識6.1.1 問題描述6.1.2 預備知識6.2 檢測器／控制器設(shè)計條件6.2.1 故障檢測條件6.2.2 控制性能條件6.2.3 穩(wěn)定性條件6.3 檢測器／控制器設(shè)計的LMI條件6.4 閾值設(shè)計6.5 仿真算例6.6 結(jié)論第7章 線性不確定系統(tǒng)的故障估計7.1 問題描述7.2 故障估計濾波器設(shè)計7.2.1 系統(tǒng)無不確定性的情況7.2.2 系統(tǒng)有不確定性的情況7.2.3 穩(wěn)定性條件7.3 閾值設(shè)計7.4 仿真算例7.5 結(jié)論第8章 基于穩(wěn)態(tài)的不確定狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)故障檢測8.1 問題描述8.1.1 故障模型8.1.2 控制目標8.1.3 故障檢測方案8.2 卡死故障檢測8.2.1 確定加權(quán)函數(shù)V8.2.2 算法8.2.3 閾值設(shè)計8.3 仿真算例8.4 結(jié)論第9章 基于穩(wěn)態(tài)的動態(tài)輸出反饋控制系統(tǒng)故障檢測9.1 問題描述9.1.1 系統(tǒng)模型9.1.2 故障模型9.1.3 綜合設(shè)計9.1.4 與已有技術(shù)比較9.2 綜合故障檢測與控制9.2.1 有用的引理9.2.2 控制目標的線性矩陣不等式條件9.2.3 檢測目標的不等式條件9.2.4 控制器參數(shù)和加權(quán)矩陣V的解9.2.5 閾值設(shè)計9.3 仿真算例9.4 結(jié)論第10章 基于穩(wěn)態(tài)的傳感器故障檢測10.1 問題描述10.1.1 系統(tǒng)模型10.1.2 故障模型10.1.3 預備知識10.1.4 同時濾波與故障檢測方案10.2 同時濾波與故障檢測10.2.1 無故障時的不等式條件10.2.2 有故障時的不等式條件10.2.3 綜合求解10.3 仿真算例10.4 結(jié)論第11章 帶有有限頻伺服信號的反饋控制系統(tǒng)故障檢測11.1 問題描述11.1.1 系統(tǒng)模型11.1.2 故障模型11.1.3 預備知識11.1.4 故障檢測方案11.2 全階故障檢測濾波器設(shè)計條件11.2.1 有故障時的不等式條件11.2.2 無故障時的不等式條件11.2.3 穩(wěn)定性條件11.2.4 綜合求解11.3 降階故障檢測濾波器設(shè)計條件11.4 仿真算例11.5 結(jié)論參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：2.等價空間的方法等價空間方法是利用系統(tǒng)輸入輸出的實際測量值檢驗系統(tǒng)數(shù)學模型的等價性來檢測故障。等價空間方法包括許多具體的方法，主要有基于奇偶方程的方法、基于約束優(yōu)化的等價方程方法、基于具有方向的殘差序列方法等，但其中研究最多的是基于奇偶方程的故障檢測方法。采用奇偶關(guān)系的方法產(chǎn)生殘差首先在文獻【26】、【27】中提出但是并沒有引起人們重視。隨后，文獻【28】又獨立提出這一方法，這之后人們又從不同的角度改進了該方法。例如，文獻給出了在z域內(nèi)的奇異關(guān)系設(shè)計方法，文獻【30】給出了基于奇異向量的隨機系統(tǒng)故障檢測與分離方法。文獻【31】~[33】也有該方法的相關(guān)研究。3.基于參數(shù)估計的方法參數(shù)估計方法是故障檢測技術(shù)中比較重要的一種方法，這種方法直接基于系統(tǒng)辨識技術(shù)，首先在文獻【34】、【35】中提出。文獻【36】提出可以通過估計不可測過程參數(shù)和狀態(tài)變量來檢測過程故障。而文獻【37】通過結(jié)合參數(shù)估計和探索過程知識研究了在線故障檢測與分離問題。另外，文獻【38】【41】把該方法應用到了一些實際問題中。4.魯棒故障診斷的主要方法如何使故障檢測系統(tǒng)對于模型誤差、噪聲、干擾等不確定因素具有好的魯棒性，確保故障檢測系統(tǒng)在上述因素影響下仍能準確檢測故障，是基于模型的故障檢測中的一個關(guān)鍵問題。魯棒故障檢測是目前故障檢測領(lǐng)域中的一個研究熱點，國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了許多的研究工作。魯棒殘差生成方法所研究的主要問題和致力于實現(xiàn)的目標，是使得殘差對各種不確定因素不敏感，而對故障敏感。對于線性系統(tǒng)，主要方法有：基于未知輸入觀測器的方法、基于特征結(jié)構(gòu)配置的方法以及近年來比較熱門的優(yōu)化性能方法，下面將逐一給予介紹。

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