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(guò)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(cè)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱門(mén)課題之一。故障檢測(cè)方法大體可以分為基于數(shù)據(jù)和基于模型兩種?；跀?shù)據(jù)的方法主要是通過(guò)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，利用一些統(tǒng)計(jì)分析的工具來(lái)確定系統(tǒng)有無(wú)故障，該方法主要應(yīng)用于各種生產(chǎn)過(guò)程的故障監(jiān)測(cè)，如化工生產(chǎn)、半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程等。在對(duì)系統(tǒng)建立精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，人們提出了基于模型的故障檢測(cè)方法。這一方法可以快速檢測(cè)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(zhǎng)足的發(fā)展，但是某些故障檢測(cè)技術(shù)問(wèn)題遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有解決。例如，采用加權(quán)函數(shù)來(lái)刻畫(huà)故障頻率范圍，會(huì)帶來(lái)不準(zhǔn)確性，無(wú)法檢測(cè)小幅值卡死故障等。本書(shū)在作者近年來(lái)工作的基礎(chǔ)上，給出了新的基于模型的故障檢測(cè)方法，解決了頻率加權(quán)帶來(lái)的不準(zhǔn)確性問(wèn)題，可以準(zhǔn)確地刻畫(huà)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(hào)的故障檢測(cè)方法，可以有效地檢測(cè)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(cè)技術(shù)無(wú)法解決的。另外，本書(shū)針對(duì)實(shí)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(shí)的故障檢測(cè)問(wèn)題。將本書(shū)的一些結(jié)果用于VTOL飛機(jī)和F-18戰(zhàn)斗機(jī)的故障檢測(cè)濾波器或觀測(cè)器設(shè)計(jì)，仿真算例驗(yàn)證本書(shū)提出方法的優(yōu)越性和有效性。全書(shū)共11章。第1、2章系統(tǒng)地分析和總結(jié)了故障檢測(cè)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(shū)相關(guān)的一些預(yù)備知識(shí)。第3、4章分別研究線性系統(tǒng)沒(méi)有不確定性、具有不確定性時(shí)的故障檢測(cè)問(wèn)題。通過(guò)同時(shí)滿足H.和H00性能指標(biāo)，故障敏感性和干擾的魯棒性都得到了增強(qiáng)，引入新提出的廣義KYP引理來(lái)描述這兩個(gè)有限頻性能指標(biāo)，可以對(duì)有限頻性能指標(biāo)進(jìn)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(shí)故障檢測(cè)與控制問(wèn)題。第7章主要考慮的是對(duì)線性不確定系統(tǒng)的故障估計(jì)問(wèn)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(cè)問(wèn)題。第9、10章分別研究綜合故障檢測(cè)與控制、同時(shí)濾波與故障檢測(cè)問(wèn)題。第11章研究帶有時(shí)變有限頻伺服信號(hào)的反饋控制系統(tǒng)故障檢測(cè)問(wèn)題。第8-11章的共同特點(diǎn)是可以檢測(cè)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(cè)方法，突出了基于穩(wěn)態(tài)和依賴于伺服信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)，解決了小幅值卡死故障檢測(cè)問(wèn)題。此外，《基于模型的線性控制系統(tǒng)故障診斷方法》對(duì)線性不確定系統(tǒng)的同時(shí)故障檢測(cè)與控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題作了詳細(xì)闡述。利用有限頻方法刻畫(huà)故障和干擾的頻域特征，結(jié)合廣義KYP引理來(lái)設(shè)計(jì)各種故障檢測(cè)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(diǎn)?！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(duì)故障檢測(cè)感興趣的科研工作者、工程技術(shù)人員參考。

書(shū)籍目錄

前言第1章 緒論1.1 引言1.2 故障檢測(cè)技術(shù)1.2.1 故障檢測(cè)技術(shù)分類1.2.2 基于模型的故障檢測(cè)方法1.3 本書(shū)的主要工作第2章 預(yù)備知識(shí)2.1 一些引理2.2 本書(shū)使用的符號(hào)第3章 基于有限頻的故障檢測(cè)方法3.1 有限頻H_指標(biāo)3.1.1 有限頻H_指標(biāo)定義3.1.2 由GKYP引理得出的H_指標(biāo)3.2 故障檢測(cè)觀測(cè)器設(shè)計(jì)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(cè)觀測(cè)器設(shè)計(jì)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(cè)濾波器設(shè)計(jì)4.1 問(wèn)題描述4.1.1 系統(tǒng)模型4.1.2 問(wèn)題描述與預(yù)備知識(shí)4.2 故障檢測(cè)濾波器設(shè)計(jì)：一個(gè)特殊情況4.3 故障檢測(cè)濾波器設(shè)計(jì)：一般情況4.3.1 干擾抑制條件4.3.2 故障檢測(cè)目標(biāo)條件4.3.3 故障檢測(cè)濾波器設(shè)計(jì)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(shí)故障檢測(cè)與控制器設(shè)計(jì)5.1 問(wèn)題描述5.1.1 系統(tǒng)模型5.1.2 問(wèn)題描述與預(yù)備知識(shí)5.2 同時(shí)故障檢測(cè)與控制5.2.1 控制條件5.2.2 故障檢測(cè)條件5.3 解決方案5.3.1 第1步：狀態(tài)反饋設(shè)計(jì)5.3.2 第2步：輸出反饋設(shè)計(jì)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(shí)故障檢測(cè)與控制器設(shè)計(jì)6.1 問(wèn)題描述與預(yù)備知識(shí)6.1.1 問(wèn)題描述6.1.2 預(yù)備知識(shí)6.2 檢測(cè)器／控制器設(shè)計(jì)條件6.2.1 故障檢測(cè)條件6.2.2 控制性能條件6.2.3 穩(wěn)定性條件6.3 檢測(cè)器／控制器設(shè)計(jì)的LMI條件6.4 閾值設(shè)計(jì)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(jì)7.1 問(wèn)題描述7.2 故障估計(jì)濾波器設(shè)計(jì)7.2.1 系統(tǒng)無(wú)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(jì)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(cè)8.1 問(wèn)題描述8.1.1 故障模型8.1.2 控制目標(biāo)8.1.3 故障檢測(cè)方案8.2 卡死故障檢測(cè)8.2.1 確定加權(quán)函數(shù)V8.2.2 算法8.2.3 閾值設(shè)計(jì)8.3 仿真算例8.4 結(jié)論第9章 基于穩(wěn)態(tài)的動(dòng)態(tài)輸出反饋控制系統(tǒng)故障檢測(cè)9.1 問(wèn)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(jì)9.1.4 與已有技術(shù)比較9.2 綜合故障檢測(cè)與控制9.2.1 有用的引理9.2.2 控制目標(biāo)的線性矩陣不等式條件9.2.3 檢測(cè)目標(biāo)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(jì)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(cè)10.1 問(wèn)題描述10.1.1 系統(tǒng)模型10.1.2 故障模型10.1.3 預(yù)備知識(shí)10.1.4 同時(shí)濾波與故障檢測(cè)方案10.2 同時(shí)濾波與故障檢測(cè)10.2.1 無(wú)故障時(shí)的不等式條件10.2.2 有故障時(shí)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(hào)的反饋控制系統(tǒng)故障檢測(cè)11.1 問(wèn)題描述11.1.1 系統(tǒng)模型11.1.2 故障模型11.1.3 預(yù)備知識(shí)11.1.4 故障檢測(cè)方案11.2 全階故障檢測(cè)濾波器設(shè)計(jì)條件11.2.1 有故障時(shí)的不等式條件11.2.2 無(wú)故障時(shí)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(cè)濾波器設(shè)計(jì)條件11.4 仿真算例11.5 結(jié)論參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：2.等價(jià)空間的方法等價(jià)空間方法是利用系統(tǒng)輸入輸出的實(shí)際測(cè)量值檢驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的等價(jià)性來(lái)檢測(cè)故障。等價(jià)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(jià)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(cè)方法。采用奇偶關(guān)系的方法產(chǎn)生殘差首先在文獻(xiàn)【26】、【27】中提出但是并沒(méi)有引起人們重視。隨后，文獻(xiàn)【28】又獨(dú)立提出這一方法，這之后人們又從不同的角度改進(jìn)了該方法。例如，文獻(xiàn)給出了在z域內(nèi)的奇異關(guān)系設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)【30】給出了基于奇異向量的隨機(jī)系統(tǒng)故障檢測(cè)與分離方法。文獻(xiàn)【31】~[33】也有該方法的相關(guān)研究。3.基于參數(shù)估計(jì)的方法參數(shù)估計(jì)方法是故障檢測(cè)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(shí)技術(shù)，首先在文獻(xiàn)【34】、【35】中提出。文獻(xiàn)【36】提出可以通過(guò)估計(jì)不可測(cè)過(guò)程參數(shù)和狀態(tài)變量來(lái)檢測(cè)過(guò)程故障。而文獻(xiàn)【37】通過(guò)結(jié)合參數(shù)估計(jì)和探索過(guò)程知識(shí)研究了在線故障檢測(cè)與分離問(wèn)題。另外，文獻(xiàn)【38】【41】把該方法應(yīng)用到了一些實(shí)際問(wèn)題中。4.魯棒故障診斷的主要方法如何使故障檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)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(cè)系統(tǒng)在上述因素影響下仍能準(zhǔn)確檢測(cè)故障，是基于模型的故障檢測(cè)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。魯棒故障檢測(cè)是目前故障檢測(cè)領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了許多的研究工作。魯棒殘差生成方法所研究的主要問(wèn)題和致力于實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，是使得殘差對(duì)各種不確定因素不敏感，而對(duì)故障敏感。對(duì)于線性系統(tǒng)，主要方法有：基于未知輸入觀測(cè)器的方法、基于特征結(jié)構(gòu)配置的方法以及近年來(lái)比較熱門(mén)的優(yōu)化性能方法，下面將逐一給予介紹。

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