時滯系統(tǒng)故障診斷與容錯控制的若干方法研究.pdf

1、故障診斷與容錯控制技術(shù)是提高動態(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)用價值。目前關(guān)于故障診斷與容錯控制技術(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，時滯現(xiàn)象是極其普遍的，如長管道進(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滯現(xiàn)象。此外，對許多大時間常數(shù)的系統(tǒng)，也常用適當(dāng)?shù)男r間常數(shù)加純滯后環(huán)節(jié)來近似

2、，這都可歸結(jié)為時滯系統(tǒng)模型。時滯的存在使得系統(tǒng)的分析和綜合變得更加復(fù)雜和困難，同時時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)地研究了時滯系統(tǒng)的故障診斷與容錯控制方法，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器的時滯系統(tǒng)故障診斷方法。通過對時滯系統(tǒng)設(shè)計未知輸入觀測器，利用觀測的狀態(tài)得到殘差，從而診斷出時滯系統(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)觀測器在時滯系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用問題。針對一類含有未知輸入干擾和模型不確定性的時滯系統(tǒng)，通過設(shè)計自適應(yīng)診斷觀測器，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)計了檢測觀測器和自適應(yīng)診斷觀測器，前者用于故障檢測，后者能估計出故障隨時間的變化。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。傳感器故障用一個時變函數(shù)模型表示，設(shè)計的自適應(yīng)觀測器具有雙重功能：首先作為故障檢測觀測器能

4、夠檢測出故障的發(fā)生，然后作為故障診斷觀測器能夠理想地估計出故障隨時間變化的形狀，算法既能診斷階躍故障，又能診斷慢時變故障。 研究了不確定時滯系統(tǒng)的魯棒故障估計問題。針對一類含有未知輸入干擾和模型不確定性的時滯系統(tǒng)，通過變換將原系統(tǒng)分成兩個子系統(tǒng)，一個子系統(tǒng)不受故障的影響，可以設(shè)計魯棒觀測器；另一個子系統(tǒng)受到故障的影響，但是它的狀態(tài)是可以測量的。設(shè)計的觀測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。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∞性能的時滯系統(tǒng)故障估計的反卷積方法，提出了線性連續(xù)時滯系統(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器和一個線性映射，該線性映射反映了未知輸入估計與輸出估計誤差的內(nèi)在聯(lián)系?；谟薪鐚?shí)引理給出了線性連續(xù)時滯系統(tǒng)H∞反卷積濾波器存在的充分條件和濾波器的時域設(shè)計方法。濾波器的設(shè)計參數(shù)可通過求解一個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)計信息的濾波器設(shè)計問題。 研究了時滯系統(tǒng)的狀態(tài)與未知輸入同時估計問題?？紤]一類時變時滯非線性系統(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)的外界擾動或模型不確定性等。通過構(gòu)造增廣系統(tǒng)和對它設(shè)計未知輸入觀測器，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)和未知輸入的同時估計。觀測器的參數(shù)通過解Riccati不等式或LMI容易得到。 研究了時滯系統(tǒng)的容錯控制問題。研究了兩種方法

7、：主動容錯控制和被動容錯控制。針對一類含有時變多狀態(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，給出了時滯系統(tǒng)對執(zhí)行器失效和傳感器失效具有完整性的充分條件和容錯控制算法。針對一類線性時滯系統(tǒng)，在對非嚴(yán)重故障進(jìn)行估計的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個附加的控制器，減少了故障對系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)動態(tài)特性的主動容錯控制。 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創(chuàng)

8、新點(diǎn)： 1.提出了一種利用未知輸入觀測器的時滯系統(tǒng)故障診斷方法。針對線性時滯系統(tǒng)，利用設(shè)計的未知輸入觀測器得到殘差，進(jìn)而檢測故障。根據(jù)殘差向量的方向性信息進(jìn)行故障分離。通過對一類時變時滯非線性系統(tǒng)構(gòu)造增廣系統(tǒng)并設(shè)計未知輸入觀測器，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)和故障的同時估計。 2.研究了自適應(yīng)觀測器在時滯系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用問題。針對一類含有未知輸入干擾和模型不確定性的時滯系統(tǒng)，通過設(shè)計自適應(yīng)診斷觀測器，得到了一種新型的故障診斷方法。設(shè)計

9、的觀測器既能診斷線性執(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，又能診斷慢時變傳感器故障。 3.提出了一種不確定時滯系統(tǒng)的魯棒故障估計方法。通過變換將原系統(tǒng)分成兩個子系統(tǒng)，一個子系統(tǒng)與故障解耦，對它設(shè)計觀測器估計系統(tǒng)的狀態(tài)；另一個子系統(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。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)時滯系統(tǒng)的H∞反卷積濾波

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