時(shí)滯連續(xù)系統(tǒng)魯棒故障診斷的濾波器方法研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代控制系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷增加,對(duì)系統(tǒng)安全性和可靠性的要求也越來越高.故障診斷技術(shù)是提高系統(tǒng)安全性和可靠性的一種極為重要的途徑,因而深入研究故障診斷技術(shù)不但具有重要的理論意義,而且也具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.目前關(guān)于故障診斷技術(shù)的研究引起了廣泛的關(guān)注,已經(jīng)成為國際控制界的熱門研究課題之一. 時(shí)滯是自然界中廣泛存在的一種物理現(xiàn)象.對(duì)象的時(shí)滯給系統(tǒng)分析和控制器設(shè)計(jì)帶來了很大困難,同時(shí)時(shí)滯的存在也往往是系統(tǒng)不穩(wěn)定和系統(tǒng)性能變

2、差的根源:另外,實(shí)際的系統(tǒng)都或多或少具有一定的不確定性,例如外部干擾、模型不確定性等.因此對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒故障診斷研究具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義.正是在這一背景下,本文利用線性矩陣不等式(LMI)技術(shù),系統(tǒng)地研究了時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒故障診斷方法,研究的重點(diǎn)集中于如何處理殘差對(duì)故障的靈敏性以及殘差對(duì)不確定性的魯棒性二者之間的關(guān)系.本文研究的主要內(nèi)容及研究成果如下: 研究了一類具有外部擾動(dòng)的不確定線性時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒故障診斷濾波器設(shè)計(jì)問

3、題.通過對(duì)時(shí)滯故障系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)變換,將線性連續(xù)狀態(tài)多時(shí)滯系統(tǒng)變?yōu)檩敵龉嗳胂到y(tǒng);引入一種體現(xiàn)殘差對(duì)故障信號(hào)具有靈敏性同時(shí)對(duì)不確定性擾動(dòng)具有魯棒性的性能指標(biāo),應(yīng)用H.最優(yōu)控制理論,借助LMI技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)全維魯棒故障診斷濾波器,并給出該濾波器問題解存在的條件和求解算法. 研究了狀態(tài)時(shí)滯系統(tǒng)時(shí)滯依賴H<,∞>濾波器的設(shè)計(jì)問題.針對(duì)時(shí)滯獨(dú)立情況下可能造成解的保守性甚至無解的問題,研究具有不確定輸入以及建模誤差的狀態(tài)時(shí)滯系統(tǒng)時(shí)滯依賴

4、魯棒故障診斷問題.通過引入?yún)⒖寄Ｐ?形成廣義殘差系統(tǒng),以此廣義殘差信號(hào)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)及其對(duì)故障信號(hào)的L<,2>增益來體現(xiàn)其對(duì)擾動(dòng)的魯棒性和對(duì)故障的靈敏性;利用對(duì)偶原理,針對(duì)對(duì)偶系統(tǒng),應(yīng)用H<,∞>.最優(yōu)控制理論,借助LMI技術(shù)設(shè)計(jì)基于狀態(tài)觀測器的時(shí)滯依賴魯棒故障診斷濾波器,并推導(dǎo)出依賴于時(shí)滯大小的解存在條件以及觀測器增益矩陣的求解方法. 研究了狀態(tài)時(shí)滯系統(tǒng)魯棒故障診斷濾波器的性能指標(biāo)選取和設(shè)計(jì)問題.針對(duì)目前時(shí)滯系統(tǒng)魯棒故障診斷性能指

5、標(biāo)研究還不深入狀況,通過對(duì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)輸入輸出通道的組合變換,將能夠同時(shí)體現(xiàn)殘差對(duì)擾動(dòng)信號(hào)魯棒性和對(duì)故障信號(hào)靈敏性的性能指標(biāo)擴(kuò)展到時(shí)滯系統(tǒng)中,把基于狀態(tài)觀測器的魯棒故障診斷濾波器設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為H<,∞>優(yōu)化設(shè)計(jì)問題;通過對(duì)傳遞函數(shù)輸入輸出通道的組合變換,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的魯棒控制、靈敏度控制以及魯棒靈敏度聯(lián)合控制,該性能指標(biāo)能夠處理同時(shí)具有傳感器故障和執(zhí)行器故障的情況.應(yīng)用LMI技術(shù),給出并證明了該設(shè)計(jì)問題解存在的條件和求解方法,包括時(shí)滯獨(dú)

6、立和時(shí)滯依賴兩種情況.并將時(shí)滯獨(dú)立情況下的性能指標(biāo)應(yīng)用到具有外部擾動(dòng)和模型不確定性的時(shí)滯系統(tǒng)魯棒故障診斷中. 研究了非線性時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒故障診斷問題.針對(duì)不同形式的非線性時(shí)滯系統(tǒng),提出兩種方法:第一,通過引入一種適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換,將一類非線性時(shí)滯系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)低維子系統(tǒng),對(duì)其中的與非線性項(xiàng)無關(guān)的子系統(tǒng)研究基于狀態(tài)觀測器的魯棒故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題,借助 LMI技術(shù),推導(dǎo)出依賴于時(shí)滯大小的解存在的條件以及觀測器增益矩陣的求解方法.第二

7、,將魯棒故障診斷濾波器設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為模型匹配問題,然后利用H<,∞>魯棒優(yōu)化控制進(jìn)行求解,并以LMI的形式給出該問題解存在的條件以及觀測器矩陣和后濾波器矩陣的求解方法,最后通過突變故障和緩變故障仿真算例來驗(yàn)證本方法的有效性. 研究了控制器與故障診斷器集成設(shè)計(jì)問題.由于閉環(huán)系統(tǒng)會(huì)對(duì)故障診斷性能產(chǎn)生影響,而目前故障診斷大多研究的是開環(huán)系統(tǒng),針對(duì)狀態(tài)時(shí)滯系統(tǒng),應(yīng)用混合GH<,2>/H<,∞>控制方法討論系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)問題.用H<,∞>范

8、數(shù)和GH<,2>范數(shù)分別描述系統(tǒng)控制和故障診斷的性能指標(biāo),所設(shè)計(jì)的控制/診斷器能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于所有能量有界的擾動(dòng)信號(hào)具有一定的魯棒性,同時(shí)能夠保證故障輸出系統(tǒng)從L<,2>空間到L<,∞>空間的增益小于一定值,即保證控制輸出的峰值小于一定值.并以LMI的形式給出問題解存在的形式及求解方法. 文中所研究內(nèi)容均利用Matlab LMI工具箱進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了所提出方法的有效性. 綜上所述,本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)概括如下:1.提出了

9、一種利用坐標(biāo)變換的時(shí)滯系統(tǒng)魯棒故障診斷方法.針對(duì)狀態(tài)時(shí)滯系統(tǒng),通過廣義坐標(biāo)變換,將其轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龉嗳胂到y(tǒng),然后利用現(xiàn)有的非時(shí)滯系統(tǒng)魯棒故障診斷方法進(jìn)行魯棒故障診斷,實(shí)現(xiàn)了時(shí)滯系統(tǒng)魯棒故障診斷.2.研究了時(shí)滯依賴情況下魯棒故障診斷濾波器的設(shè)計(jì)問題.針對(duì)具有不確定輸入以及建模誤差的狀態(tài)時(shí)滯系統(tǒng),利用對(duì)偶原理,借助LMI技術(shù)研究對(duì)偶系統(tǒng)基于狀態(tài)觀測器的時(shí)滯依賴魯棒故障診斷濾波器設(shè)計(jì)問題,并推導(dǎo)出具有時(shí)滯依賴解存在的條件以及觀測器增益矩陣的求解方

10、法,解決了時(shí)滯獨(dú)立情況下解的保守性以及無解的問題.3.擴(kuò)展了魯棒故障診斷性能指標(biāo)的應(yīng)用范圍.通過對(duì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)輸入輸出通道的組合變換,將能夠同時(shí)體現(xiàn)殘差對(duì)擾動(dòng)信號(hào)魯棒性和對(duì)故障信號(hào)靈敏性的性能指標(biāo)擴(kuò)展到時(shí)滯系統(tǒng)中.該性能指標(biāo)能夠處理同時(shí)具有傳感器故障和執(zhí)行器故障的情況,并且通過對(duì)傳遞函數(shù)輸入輸出通道的組合變換,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的魯棒控制、靈敏度控制以及魯棒靈敏度聯(lián)合控制.4.研究了非線性時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒故障診斷問題.分別通過坐標(biāo)變換以及模型匹