時(shí)滯系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)控制的若干方法研究.pdf

1、故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)是提高動(dòng)態(tài)系統(tǒng)安全性、可靠性的一種極為重要的途徑，因而深入研究故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)，不但具有重要的理論意義，而且也具有巨大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前關(guān)于故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)的研究引起了廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為控制界的熱門研究課題之一。 在各類工業(yè)系統(tǒng)中，時(shí)滯現(xiàn)象是極其普遍的，如長(zhǎng)管道進(jìn)料或皮帶傳輸、極緩慢的過程或復(fù)雜的在線分析儀等均存在時(shí)滯現(xiàn)象。此外，對(duì)許多大時(shí)間常數(shù)的系統(tǒng)，也常用適當(dāng)?shù)男r(shí)間常數(shù)加純滯后環(huán)節(jié)來近似

2、，這都可歸結(jié)為時(shí)滯系統(tǒng)模型。時(shí)滯的存在使得系統(tǒng)的分析和綜合變得更加復(fù)雜和困難，同時(shí)時(shí)滯的存在也往往是系統(tǒng)不穩(wěn)定和系統(tǒng)性能變差的根源。正是在這一背景下，本文系統(tǒng)地研究了時(shí)滯系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制方法，主要內(nèi)容及研究成果如下： 提出了一種利用未知輸入觀測(cè)器的時(shí)滯系統(tǒng)故障診斷方法。通過對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)設(shè)計(jì)未知輸入觀測(cè)器，利用觀測(cè)的狀態(tài)得到殘差，從而診斷出時(shí)滯系統(tǒng)的故障，根據(jù)殘差向量的方向性，通過比較殘差和故障信號(hào)進(jìn)行故障分離，并給出了故障

3、診斷系統(tǒng)閾值的選取原則。研究了自適應(yīng)觀測(cè)器在時(shí)滯系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用問題。針對(duì)一類含有未知輸入干擾和模型不確定性的時(shí)滯系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)自適應(yīng)診斷觀測(cè)器，得到了一種新型的故障診斷方法。首先考慮線性執(zhí)行器故障，設(shè)計(jì)了檢測(cè)觀測(cè)器和自適應(yīng)診斷觀測(cè)器，前者用于故障檢測(cè)，后者能估計(jì)出故障隨時(shí)間的變化。然后將該方法拓展到非線性執(zhí)行器故障，給出了非線性故障診斷方法。傳感器故障用一個(gè)時(shí)變函數(shù)模型表示，設(shè)計(jì)的自適應(yīng)觀測(cè)器具有雙重功能：首先作為故障檢測(cè)觀測(cè)器能

4、夠檢測(cè)出故障的發(fā)生，然后作為故障診斷觀測(cè)器能夠理想地估計(jì)出故障隨時(shí)間變化的形狀，算法既能診斷階躍故障，又能診斷慢時(shí)變故障。 研究了不確定時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒故障估計(jì)問題。針對(duì)一類含有未知輸入干擾和模型不確定性的時(shí)滯系統(tǒng)，通過變換將原系統(tǒng)分成兩個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)子系統(tǒng)不受故障的影響，可以設(shè)計(jì)魯棒觀測(cè)器；另一個(gè)子系統(tǒng)受到故障的影響，但是它的狀態(tài)是可以測(cè)量的。設(shè)計(jì)的觀測(cè)器利用解析冗余的方法實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器故障和傳感器故障估計(jì)。本方法只要求干擾有界，不

5、同于有的文獻(xiàn)上要求干擾解耦，因而實(shí)用性更強(qiáng)。 研究了具有H∞性能的時(shí)滯系統(tǒng)故障估計(jì)的反卷積方法，提出了線性連續(xù)時(shí)滯系統(tǒng)的H∞反卷積濾波器。分析了反卷積濾波器的一般結(jié)構(gòu)和新息結(jié)構(gòu)，指出新息結(jié)構(gòu)下，反卷積濾波器的功能等效于輸出觀測(cè)器和一個(gè)線性映射，該線性映射反映了未知輸入估計(jì)與輸出估計(jì)誤差的內(nèi)在聯(lián)系。基于有界實(shí)引理給出了線性連續(xù)時(shí)滯系統(tǒng)H∞反卷積濾波器存在的充分條件和濾波器的時(shí)域設(shè)計(jì)方法。濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)可通過求解一個(gè)Riccati

6、方程得到。本文提出的反卷積濾波器可解決不知道干擾統(tǒng)計(jì)信息的濾波器設(shè)計(jì)問題。 研究了時(shí)滯系統(tǒng)的狀態(tài)與未知輸入同時(shí)估計(jì)問題?？紤]一類時(shí)變時(shí)滯非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)的非線性包括兩部分：一部分滿足李普西茲條件，另一部分為未知，包括系統(tǒng)的外界擾動(dòng)或模型不確定性等。通過構(gòu)造增廣系統(tǒng)和對(duì)它設(shè)計(jì)未知輸入觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)和未知輸入的同時(shí)估計(jì)。觀測(cè)器的參數(shù)通過解Riccati不等式或LMI容易得到。 研究了時(shí)滯系統(tǒng)的容錯(cuò)控制問題。研究了兩種方法

7、：主動(dòng)容錯(cuò)控制和被動(dòng)容錯(cuò)控制。針對(duì)一類含有時(shí)變多狀態(tài)滯后、參數(shù)不確定性和未知非線性的系統(tǒng)，采用帶有滯后的狀態(tài)反饋控制，給出了時(shí)滯系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行器失效和傳感器失效具有完整性的充分條件和容錯(cuò)控制算法。針對(duì)一類線性時(shí)滯系統(tǒng)，在對(duì)非嚴(yán)重故障進(jìn)行估計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)附加的控制器，減少了故障對(duì)系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主動(dòng)容錯(cuò)控制。 文中做了大量的仿真研究，通過仿真結(jié)果來驗(yàn)證所提出算法的有效性。 綜上所述，本文主要有以下幾個(gè)創(chuàng)

8、新點(diǎn)： 1.提出了一種利用未知輸入觀測(cè)器的時(shí)滯系統(tǒng)故障診斷方法。針對(duì)線性時(shí)滯系統(tǒng)，利用設(shè)計(jì)的未知輸入觀測(cè)器得到殘差，進(jìn)而檢測(cè)故障。根據(jù)殘差向量的方向性信息進(jìn)行故障分離。通過對(duì)一類時(shí)變時(shí)滯非線性系統(tǒng)構(gòu)造增廣系統(tǒng)并設(shè)計(jì)未知輸入觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)和故障的同時(shí)估計(jì)。 2.研究了自適應(yīng)觀測(cè)器在時(shí)滯系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用問題。針對(duì)一類含有未知輸入干擾和模型不確定性的時(shí)滯系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)自適應(yīng)診斷觀測(cè)器，得到了一種新型的故障診斷方法。設(shè)計(jì)

9、的觀測(cè)器既能診斷線性執(zhí)行器故障，又能診斷非線性執(zhí)行器故障；既能診斷階躍傳感器故障，又能診斷慢時(shí)變傳感器故障。 3.提出了一種不確定時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒故障估計(jì)方法。通過變換將原系統(tǒng)分成兩個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)子系統(tǒng)與故障解耦，對(duì)它設(shè)計(jì)觀測(cè)器估計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)；另一個(gè)子系統(tǒng)含有故障，通過離散化方法實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行器故障和傳感器故障估計(jì)。本方法只要求干擾有界，不同于有的文獻(xiàn)上要求干擾解耦，因而實(shí)用性更強(qiáng)。 4.提出了線性連續(xù)時(shí)滯系統(tǒng)的H∞反卷積濾波

10、器，并將它拓展給出了一種時(shí)滯系統(tǒng)故障診斷新方法?；谟薪鐚?shí)引理給出了線性連續(xù)時(shí)滯系統(tǒng)H∞反卷積濾波器存在的充分條件和濾波器的時(shí)域設(shè)計(jì)方法。本文提出的方法可解決不知道干擾統(tǒng)計(jì)信息的故障診斷問題。 5.研究了時(shí)滯系統(tǒng)的容錯(cuò)控制問題。采用帶有滯后的狀態(tài)反饋控制，給出了時(shí)滯系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行器失效和傳感器失效具有完整性的充分條件和被動(dòng)容錯(cuò)控制算法。在對(duì)非嚴(yán)重故障進(jìn)行估計(jì)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)附加控制器減少了故障對(duì)系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主動(dòng)