時滯連續(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際應(yīng)用價值.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. 時滯是自然界中廣泛存在的一種物理現(xiàn)象.對象的時滯給系統(tǒng)分析和控制器設(shè)計帶來了很大困難,同時時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.因此對時滯系統(tǒng)的魯棒故障診斷研究具有實際的應(yīng)用價值和科學(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)地研究了時滯系統(tǒng)的魯棒故障診斷方法,研究的重點集中于如何處理殘差對故障的靈敏性以及殘差對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的不確定線性時滯系統(tǒng)的魯棒故障診斷濾波器設(shè)計問

3、題.通過對時滯故障系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)變換,將線性連續(xù)狀態(tài)多時滯系統(tǒng)變?yōu)檩敵龉嗳胂到y(tǒng);引入一種體現(xiàn)殘差對故障信號具有靈敏性同時對不確定性擾動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)時滯系統(tǒng)時滯依賴H<,∞>濾波器的設(shè)計問題.針對時滯獨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)時滯系統(tǒng)時滯依賴

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),以此廣義殘差信號對擾動信號及其對故障信號的L<,2>增益來體現(xiàn)其對擾動的魯棒性和對故障的靈敏性;利用對偶原理,針對對偶系統(tǒng),應(yīng)用H<,∞>.最優(yōu)控制理論,借助LMI技術(shù)設(shè)計基于狀態(tài)觀測器的時滯依賴魯棒故障診斷濾波器,并推導(dǎo)出依賴于時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)計問題.針對目前時滯系統(tǒng)魯棒故障診斷性能指

5、標(biāo)研究還不深入狀況,通過對系統(tǒng)傳遞函數(shù)輸入輸出通道的組合變換,將能夠同時體現(xiàn)殘差對擾動信號魯棒性和對故障信號靈敏性的性能指標(biāo)擴展到時滯系統(tǒng)中,把基于狀態(tài)觀測器的魯棒故障診斷濾波器設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為H<,∞>優(yōu)化設(shè)計問題;通過對傳遞函數(shù)輸入輸出通道的組合變換,可以實現(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)計問題解存在的條件和求解方法,包括時滯獨

6、立和時滯依賴兩種情況.并將時滯獨立情況下的性能指標(biāo)應(yīng)用到具有外部擾動和模型不確定性的時滯系統(tǒng)魯棒故障診斷中. 研究了非線性時滯系統(tǒng)的魯棒故障診斷問題.針對不同形式的非線性時滯系統(tǒng),提出兩種方法:第一,通過引入一種適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換,將一類非線性時滯系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為兩個低維子系統(tǒng),對其中的與非線性項無關(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)計問題,借助 LMI技術(shù),推導(dǎo)出依賴于時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)計問題.由于閉環(huán)系統(tǒng)會對故障診斷性能產(chǎn)生影響,而目前故障診斷大多研究的是開環(huán)系統(tǒng),針對狀態(tài)時滯系統(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)計的控制/診斷器能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)對于所有能量有界的擾動信號具有一定的魯棒性,同時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工具箱進行仿真,驗證了所提出方法的有效性. 綜上所述,本文的主要創(chuàng)新點概括如下:1.提出了

9、一種利用坐標(biāo)變換的時滯系統(tǒng)魯棒故障診斷方法.針對狀態(tài)時滯系統(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)有的非時滯系統(tǒng)魯棒故障診斷方法進行魯棒故障診斷,實現(xiàn)了時滯系統(tǒng)魯棒故障診斷.2.研究了時滯依賴情況下魯棒故障診斷濾波器的設(shè)計問題.針對具有不確定輸入以及建模誤差的狀態(tài)時滯系統(tǒng),利用對偶原理,借助LMI技術(shù)研究對偶系統(tǒng)基于狀態(tài)觀測器的時滯依賴魯棒故障診斷濾波器設(shè)計問題,并推導(dǎo)出具有時滯依賴解存在的條件以及觀測器增益矩陣的求解方

10、法,解決了時滯獨立情況下解的保守性以及無解的問題.3.擴展了魯棒故障診斷性能指標(biāo)的應(yīng)用范圍.通過對系統(tǒng)傳遞函數(shù)輸入輸出通道的組合變換,將能夠同時體現(xiàn)殘差對擾動信號魯棒性和對故障信號靈敏性的性能指標(biāo)擴展到時滯系統(tǒng)中.該性能指標(biāo)能夠處理同時具有傳感器故障和執(zhí)行器故障的情況,并且通過對傳遞函數(shù)輸入輸出通道的組合變換,可以實現(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