基于观测器的鲁棒故障检测方法研究

摘要

随着现代控制系统的规模和复杂程度的不断增加，对系统安全性和可靠性的要求也越来越高。故障诊断技术的出现，为解决这一问题开辟了崭新的途径。
　　近年来，人们开始利用H-和H∞技术来刻画故障敏感性及扰动鲁棒性，并由此产生了很多有效的鲁棒故障诊断方法。但是这些方法仍存在一些不足之处。比如，针对线性时滞系统，已有方法没有考虑时滞对故障检测滤波器设计的影响。另一方面，针对带有仿射不确定性的线性随机系统的鲁棒故障检测滤波器设计也有一些问题需要解决。例如，已有技术只是考虑了设计具有固定增益的故障检测滤波器，当系统不确定参数摄动范围较大时，设计具有单一固定增益的故障检测滤波器会具有较大的保守性。针对一类包含参数不确定性、高斯随机噪声、时延以及Lipschitz型非线性项的复杂非线性系统故障检测问题，系统模型不能精确的线性化时，设计非线性观测器会变得更加困难。另外，网络控制系统的故障检测问题也受到人们更多的重视。对于和控制器处于相同位置的故障检测单元来说，同时发生在传感器到控制器和控制器到执行器两个链路上的丢包信息的获取是较为困难的，饱和现象的出现也使得问题变得更为复杂。
　　针对上述问题，本文在前人工作的基础上，提出了若干新的故障诊断方法。首先，参考已有文献结果，给出线性时滞系统直接描述故障与扰动的有限频H-/H∞性能指标，并给出了时滞依赖的故障检测滤波器设计条件，以减小已有方法的保守性;针对带有时变仿射不确定性的线性随机系统，通过引入恰当的切换机制，设计变增益故障检测滤波器，此方法可以减小因设计具有固定增益的故障检测滤波器而带来的保守性;针对一类带有时延的非线性高斯随机系统给出一种基于高增益非线性观测器的L2故障检测方法。对于丢包同时发生在传感器到控制器和控制器到执行器间的网络控制系统，在传感器饱和约束的影响下，设计了鲁棒故障检测滤波器使得系统指数均方稳定并满足H∞性能指标。
　　本文的创新点总结如下:
　　1.针对线性时滞系统，我们提出了新的基于有限频的故障检测方法。首先，参考已有文献，通过直接描述故障与扰动的有限频特性，解决了频率加权带来的不准确性问题;进一步，在有限频范围内给出具有时滞依赖的故障检测滤波器设计条件，以减小时滞独立故障检测滤波器设计条件的保守性。最后，与已有结果的比较证明了所提方法的优越性。
　　2.针对带有时变仿射不确定性的线性随机系统，给出了基于切换技术的故障检测滤波器设计条件。与已有结果相比，本章的一个创新点就在于利用时变不确定性的上下界信息，结合切换技术设计具有变增益的故障检测滤波器。这样，可以减小因设计具有固定增益的故障检测滤波器而带来的保守性。
　　3.针对一类带有时延的非线性高斯随机系统给出一种基于高增益非线性观测器的L2故障检测方法。所考虑的系统中包含参数不确定性、高斯随机噪声、时延以及Lipschitz型非线性项。设计目的是研究一类鲁棒观测器，使得估计误差的动态在噪声和不确定性存在的情况下具有均方意义的随机指数稳定性和L2鲁棒性能。这种新的高增益观测器的设计思路使用Lyapunov方法和随机系统的稳定性分析方法，整体的设计过程不须求解微分不等式，同时所设计的故障检测观测器的形式直接显式地推导出来。观测器中的设计参数的选取不须使用数值计算来求解任何矩阵不等式。仿真算例验证了本章提出方法的有效性。
　　4.针对传感器饱和约束条件下网络控制系统在传感器到控制器和控制器到执行器两个链路同时丢包的情况，考虑故障检测滤波器设计问题。假设丢包用两个独立的伯努利分布序列来描述，设计了故障检测滤波器来抑制干扰和故障对估计误差的影响。基于线性矩阵不等式技术给出传感器饱和约束条件下鲁棒故障检测系统有界均方稳定的充分条件并满足H∞故障检测性能指标。
　　最后对全文所做的工作进行了总结，并指明了下一步的研究方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 故障检测

1．2．1 故障检测的基本概念

1．2．2 故障检测系统的发展现状

1．3 网络控制系统

1．4 本文的主要工作

第二章 预备知识

2．1 一些引理

2．2 本文使用的符号

第三章 线性时滞系统的有限频故障检测

3．1 引言

3．2 线性时滞系统的有限频H_性能指标

3．3 连续时滞系统

3．3．1 问题描述

3．3．2 故障灵敏性条件

3．3．3 干扰抑制条件

3．3．4 稳定性条件

3．3．5 故障检测观测器设计

3．3．6 仿真算例

3．4 离散时滞系统

3．4．1 问题描述

3．4．2 故障检测滤波器设计

3．4．3 仿真算例

3．5 结论

第四章 线性不确定随机系统的故障检测

4．1 引言

4．2 线性不确定随机系统

4．2．1 问题描述

4．2．2 故障检测方案

4．3 故障检测滤波器设计

4．3．1 故障检测滤波器设计条件

4．3．2 算法

4．3．3 阈值设计

4．4 仿真算例

4．5 结论

第五章 一类非线性随机不确定系统的鲁棒故障检测

5．1 引言

5．2 非线性随机不确定系统

5．2．1 系统模型

5．2．2 L2鲁棒观测器

5．2．3 问题描述

5．3 故障检测观测器设计

5．3．1 坐标系变换

5．3．2 L2鲁棒观测器设计

5．3．3 故障检测设计

5．4 仿真算例

5．5 结论

第六章 网络控制系统丢包的故障检测

6．1 引言

6．2 问题描述

6．3 稳定性条件

6．4 故障检测滤波器设计

6．5 仿真算例

6．6 结论

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所做的主要工作

作者简介