魯棒自適應(yīng)故障檢測(cè)與隔離方法研究.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)的出現(xiàn)，為提高復(fù)雜系統(tǒng)的安全性和可靠性開辟了嶄新的途徑。
　　近年來，在全頻域和有限頻域內(nèi)，人們開始利用H_和H∞技術(shù)來刻畫故障敏感性及擾動(dòng)魯棒性，并由此產(chǎn)生了很多有效的魯棒故障診斷方法。但是這些方法仍存在一些不足之處。比如，已有H_和H∞技術(shù)不能直接應(yīng)用到隨機(jī)系統(tǒng);與廣義KYP引理相結(jié)合的有限頻H_/H∞方法只適用于一類線性時(shí)不變系統(tǒng);

2、對(duì)某些帶有小幅值卡死故障的控制系統(tǒng)已有技術(shù)是失效的等。另一方面，在基于自適應(yīng)的故障診斷方法中也有一些問題需要解決。例如，為了取得完全的故障檢測(cè)與隔離，已有方法要求傳感器個(gè)數(shù)要大于或等于系統(tǒng)階數(shù)（或故障個(gè)數(shù)），某些信號(hào)要滿足持續(xù)激勵(lì)條件;已有自適應(yīng)技術(shù)無法檢測(cè)與隔離幅值小的卡死故障等。
　　針對(duì)上述問題，本文在前人工作的基礎(chǔ)上，提出了若干新的故障診斷方法。首先，將與廣義KYP引理相結(jié)合的有限頻H_/H∞方法推廣到了帶有時(shí)延的線性時(shí)不

3、變系統(tǒng);通過從信號(hào)角度定義故障靈敏性能及擾動(dòng)抑制性能，處理了隨機(jī)系統(tǒng)的故障檢測(cè)問題;利用殘差輸出在故障模態(tài)下對(duì)時(shí)變伺服信號(hào)的敏感性，本文提出了新的H_/H∞方法以檢測(cè)幅值小的卡死型故障;另外，本文給出了凸的故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件以保證故障靈敏性能。在基于自適應(yīng)的故障診斷方法中，對(duì)一類非線性系統(tǒng)，本文去掉了傳感器個(gè)數(shù)要大于或等于系統(tǒng)階數(shù)（或故障個(gè)數(shù)）這一限制，并且不需要任何的持續(xù)激勵(lì)條件;對(duì)一類線性反饋控制系統(tǒng)，通過將系統(tǒng)建模為多模型以及有

4、效地利用伺服信號(hào)，本文提出了新的自適應(yīng)方法用以檢測(cè)與隔離幅值小的卡死型故障。
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下:
　　1.對(duì)確定性時(shí)延系統(tǒng)，我們提出了新的基于有限頻的故障檢測(cè)方法。通過直接描述故障與擾動(dòng)的有限頻特性，解決了頻率加權(quán)帶來的不準(zhǔn)確性問題。與已有全頻方法的比較證明了本文有限頻方法的優(yōu)越性。另一方面，對(duì)隨機(jī)時(shí)延系統(tǒng)，我們從信號(hào)角度定義了故障靈敏性能及擾動(dòng)抑制性能，并且給出了保證這些性能成立的線性矩陣不等式條件。特別的，當(dāng)忽略

5、隨機(jī)和時(shí)延因素，上述不等式條件可改進(jìn)已有的結(jié)果，即在全頻域內(nèi)對(duì)故障靈敏性能建立了可以準(zhǔn)確衡量保守性的故障檢測(cè)濾波器設(shè)計(jì)條件。
　　2.對(duì)帶有有限頻伺服輸入的線性反饋控制系統(tǒng)，本文提出了有效的方法以檢測(cè)幅值小的卡死型故障。首先考慮所有可能的執(zhí)行器卡死故障，將閉環(huán)系統(tǒng)建模為多模型，即故障模型和非故障模型。本文的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)就在于設(shè)計(jì)殘差使其在故障模態(tài)下對(duì)伺服輸入敏感，而在非故障模態(tài)下對(duì)伺服輸入保持魯棒性。這樣，即使執(zhí)行器卡死故障的幅值很

6、小，我們的策略仍然可以使殘差信號(hào)在故障模態(tài)和非故障模態(tài)之間有很大差別，從而可以有效檢測(cè)此類故障。需要強(qiáng)調(diào)的是本文對(duì)有限頻域內(nèi)的故障靈敏性能及擾動(dòng)抑制性能均給出了凸的濾波器設(shè)計(jì)條件，并且可以準(zhǔn)確衡量這些條件的保守性。
　　3.由于閉環(huán)系統(tǒng)會(huì)對(duì)故障診斷性能產(chǎn)生影響，所以一些文獻(xiàn)研究了同時(shí)故障檢測(cè)與控制問題。但已有一些文獻(xiàn)的一個(gè)共同點(diǎn)是檢測(cè)器與控制器是同一個(gè)單元，這樣會(huì)使檢測(cè)性能與控制性能產(chǎn)生沖突。為了解決這一問題，本文設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)觀測(cè)

7、器作為檢測(cè)器并且同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于觀測(cè)器的控制器。在有限頻域內(nèi)，通過構(gòu)造新的矩陣分解形式，我們給出了檢測(cè)器參數(shù)與控制器參數(shù)的同時(shí)設(shè)計(jì)方案。仿真算例說明本文的方法可以取得更好的檢測(cè)與控制綜合效果。
　　4.對(duì)一類線性反饋控制系統(tǒng)給出了基于自適應(yīng)技術(shù)的故障檢測(cè)與隔離方法。通過有效利用伺服信號(hào)以及將系統(tǒng)建模為多模型，本文得到了明確的故障可檢測(cè)與可隔離條件。這些條件顯示我們的方法不但對(duì)幅值大的執(zhí)行器卡死故障有效，而且對(duì)幅值小的執(zhí)行器卡死故

8、障（包括執(zhí)行器中斷故障）也是有效的。另外，我們所提出的自適應(yīng)技術(shù)不需要任何的持續(xù)激勵(lì)條件。
　　5.本文研究了一類單輸出非線性系統(tǒng)的故障檢測(cè)與隔離問題。假設(shè)系統(tǒng)可能有q個(gè)故障，本文設(shè)計(jì)了q+2個(gè)觀測(cè)器，其中一個(gè)為故障檢測(cè)觀測(cè)器，q個(gè)為自適應(yīng)故障隔離觀測(cè)器，還有一個(gè)是自適應(yīng)狀態(tài)估計(jì)觀測(cè)器。通過利用這q+2個(gè)觀測(cè)器的狀態(tài)產(chǎn)生q+1個(gè)殘差信號(hào)并設(shè)計(jì)零作為閾值，我們的方案解決了上述單輸出非線性系統(tǒng)的故障檢測(cè)與隔離問題。實(shí)際上，已有文獻(xiàn)為了