自适应观测器方法的故障检测技术研究
自适应观测器方法的故障检测技术研究[20200102175435]
本文研究了多时滞线性离散时间系统的 故障检测滤波器设计问题，去除未知输入信号对故障信号的影响是不可能的，未知输入信号主要包括模型的不确定性和外部系统的干扰。通过选择合适的滤波器增益，如果系统中无故障发生，那么这个滤波器是收敛的，并且在外部干扰影响下满足 范数指标。实现了令人满意的残差信号对故障的敏感性的问题，并给出其解决方案。同时本文还讨论了故障检测阈值的选择问题。最后，通过风洞例子说明了所提出方法的有效性。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:故障检测,未知输入信号,故障信号
目 录
1引言 1
2 问题描述 4
2.1 残差产生 4
2.2 残差评价 5
3 基于LMI的故障检测观测器设计 6
3.1 故障检测观测器的求解 6
3.2 Matlab求解过程 12
3.3 阈值设计 15
4 仿真验证 16
4.1 仿真参数与最终结果 16
4.2 simulink仿真编程图 18
4.3 仿真结果图 19
总结与展望 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1引言
随着现代社会科技的飞速发展，对系统的要求也不断的提高，主要追求性能好、质量好、成本低。现代化工程技术也朝着大规模、复杂化的目标发展，这种系统倘若引发事故会造成人员的伤亡和巨额的财产损失，所以人们对设施和被控系统安全性、可靠性的要求日趋升高。近十几年来发生过多次火箭发射失败的事件。因此，在装置投运以后，系统的安全性和可靠性是人们需要密切关注的要点，创建一个全方位监控系统来对控制系统进行故障诊断，实倘若时检测系统中发生故障，那么分析发生故障项，然后得出结论，采取一些必要手段防止事故再次发生。因为这样子的背景情况，故障检测技术得以发展起来，并且在国际控制界占有重大地位[1]。
随着航天技术、工业科技、电子通讯、电力等高新科学技术的飞速发展，人们需要的控制系统范围越来越大，所以规模也日益增加，规模增加导致复杂程度提高。如何提升控制系统的安全性、可靠性是非常重要的一项研究课题。如果控制系统一旦出现故障，将会导致局部系统，甚至整个系统的运行异常，乃至系统行为的彻底改变。美国哥伦比亚号航天飞机在2003年2月1日，在完成任务返回过程当中在原计划降落时间 16 分钟前与地面控制总站失去联络，飞机上七名宇航员伴随飞机在德克萨斯州中不上南解体而遇难[2]。
大约在2006年十月末，在西昌卫星发射中心发射了地球静止轨道卫星“鑫诺二号”，这颗卫星主要用于通讯广播，设置寿命长达15年。卫星在经过一段时间的飞行后，按照程序准确进入预定的轨道。然而意外来的太突然，“鑫诺二号”通讯卫星突然产生故障，没有能够按照原计划的程序规定点在规定的位置。这样直接造成了卫星无法提供正常的传输通讯任务，在我国航天事业的路上抹上了一个小污点，同时我国在经济上有很大的损失。中国在2010年8月18日，通过“长征二号丙”运载火箭发出“实践十一号04星”。火箭开始还好、但是随后在飞行中发生紧急故障，导致卫星未能进入原来设定的轨道。随后，因为受实践“十一号 04 星”发射出故障产生影响的缘故，导致任务总指挥部规定延后原来的南宫一号发射方案。考虑怎么样让复杂控制系统的可靠性得到提高，以保证系统在出现紧急故障的时候拥有一定的容错能力，因为这件事情，所以受到国内外许多学者的关注[3-5]。
在日常系统的运用中，系统可能随时发生故障，主要故障有三个：执行器故障、元器件故障、传感器故障。在日常生产中，倘若出现故障那么会导致生产异常，如果严重到一定程度会使生产停止，所以大大增加系统可靠性、安全性是我的首要任务。这样就可以让系统在发生故障的时候第一时间报警，并且为了下一步决定提供核心依据，从而保证生产过程可以有条不紊的进行着。另一方面，由于现代系统规模越来越大，造价成本越来越多，花费上亿来弄一套设备或卫星也是很常见的，于是乎人们必须密切关注故障诊断和容错控制，它不光可让系统的可靠度得到很大提高，还可以再经济损失上面减到最小化。由此可见，不论军用还是民用，故障诊断和容错技术的发展都是非常重要的。
动态系统的故障检测和诊断（FDD）在某方面来说是一门相对独立发展的技术，但也是容错控制的重要核心。总而言之，容错技术控制在科学领域中低位远远低于动态系统故障检测和诊断，容错控制的理论运用方面也远远低于他们。当前基本每一年有数千篇以上的有关FDD论文报道在国际上发布。1976 年，Willsky 在 Automatica 上发表了第一篇 FDD 方面的综述文章。大约在1978年的时候，Himmelblau出版了国际上面关于FDD的开创之作[6-9]。在过去几十年里面，故障诊断和容错控制技术得到飞快的发展，一同时出来一些新兴理论并且都已经在这里得到了成功的应用，例如：主元分析、遗传算法、小波变换、非线性理论等。
目前，关于故障诊断和容错控制有几个方面的热点和难点：基于了解关于模型的故障诊断方法的主要成就依旧聚集在线性系统，深刻办理非线性系统的通用故障诊断技术是非常有意义的，于此同时，同样具有很高研究价值的问题就是鲁棒性问题。有关于信号处理的故障诊断方法具有很完善的发展，但对非线性系统的故障诊断中的应用还有待提高。关于这方面的热点还有小波转换技术[10-12]。不需要系统的定量数学模型，显然对在复杂的工业生产工程中有很高的实用价值。里面包含的定性模型的方法在发展中得到很大的飞跃。现代化设备越来越高端、人工智能技术发展也很快，因此关于神经网络和模糊技术的故障诊断方法的分析和研究程度也是越来越深入[13-15]。
在本篇文章中，对于线性鲁棒故障检测观测器系统的问题是经过未知输入信号的影响来研究的。通过 对故障的敏感性和 对干扰信号的鲁棒性，基于 和 的优化设计通过鲁棒故障检测观测器设计问题来描述。
故障检测系统的方法主要有两种，第一种是故障检测 统一法：
考虑如下频域描述的LTI系统
其中， 分别表示控制输入向量 、未知输入向量 、检测故障向量 到输出向量 的传递函数矩阵。
取残差产生器为
理想情况下 应满足
即产生的残差只依赖与故障。
第二种是 滤波方法：
考虑连续时间LTI系统
其中， 分别状态、测量输出、故障向量、未知输入、控制输入， 为适当维数的已知矩阵。假设 和 为 范数有界。
本篇文章基于现有的理论基础，利用 范数和 通过优化问题来描述出故障检测器的设计问题，这个优化问题可以通过线性矩阵不等式理论来求解，给出了迭代LMI算法，算法最终降低了保守性得出了更优的解，提出方法的有效性通过仿真得到了验证。
2.问题描述
考虑线性时不变动状态的空间描述为
(1) (2)
式中， 分别代表系统的状态向量、控制输入向量和测量输出向量； 表示由外界干扰等引起的未知输入，不失一般性，假设 表示系统的故障，也就是执行器故障、传感器故障还有元部件故障等；已知矩阵 具有合适的维数。并且，这里假设：
（1）（A,C）可检测；
（2） 对于所有 行满秩。
2.1残差的产生
传统的故障检测系统包含残差产生器、残差估计器两种，其中，一般来说残差估计器是决策逻辑、阈值检测、还有残差评价函数组成。目的是产生出残差，所以故障检测观测器设计为
本文研究了多时滞线性离散时间系统的 故障检测滤波器设计问题，去除未知输入信号对故障信号的影响是不可能的，未知输入信号主要包括模型的不确定性和外部系统的干扰。通过选择合适的滤波器增益，如果系统中无故障发生，那么这个滤波器是收敛的，并且在外部干扰影响下满足 范数指标。实现了令人满意的残差信号对故障的敏感性的问题，并给出其解决方案。同时本文还讨论了故障检测阈值的选择问题。最后，通过风洞例子说明了所提出方法的有效性。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:故障检测,未知输入信号,故障信号
目 录
1引言 1
2 问题描述 4
2.1 残差产生 4
2.2 残差评价 5
3 基于LMI的故障检测观测器设计 6
3.1 故障检测观测器的求解 6
3.2 Matlab求解过程 12
3.3 阈值设计 15
4 仿真验证 16
4.1 仿真参数与最终结果 16
4.2 simulink仿真编程图 18
4.3 仿真结果图 19
总结与展望 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1引言
随着现代社会科技的飞速发展，对系统的要求也不断的提高，主要追求性能好、质量好、成本低。现代化工程技术也朝着大规模、复杂化的目标发展，这种系统倘若引发事故会造成人员的伤亡和巨额的财产损失，所以人们对设施和被控系统安全性、可靠性的要求日趋升高。近十几年来发生过多次火箭发射失败的事件。因此，在装置投运以后，系统的安全性和可靠性是人们需要密切关注的要点，创建一个全方位监控系统来对控制系统进行故障诊断，实倘若时检测系统中发生故障，那么分析发生故障项，然后得出结论，采取一些必要手段防止事故再次发生。因为这样子的背景情况，故障检测技术得以发展起来，并且在国际控制界占有重大地位[1]。
随着航天技术、工业科技、电子通讯、电力等高新科学技术的飞速发展，人们需要的控制系统范围越来越大，所以规模也日益增加，规模增加导致复杂程度提高。如何提升控制系统的安全性、可靠性是非常重要的一项研究课题。如果控制系统一旦出现故障，将会导致局部系统，甚至整个系统的运行异常，乃至系统行为的彻底改变。美国哥伦比亚号航天飞机在2003年2月1日，在完成任务返回过程当中在原计划降落时间 16 分钟前与地面控制总站失去联络，飞机上七名宇航员伴随飞机在德克萨斯州中不上南解体而遇难[2]。
大约在2006年十月末，在西昌卫星发射中心发射了地球静止轨道卫星“鑫诺二号”，这颗卫星主要用于通讯广播，设置寿命长达15年。卫星在经过一段时间的飞行后，按照程序准确进入预定的轨道。然而意外来的太突然，“鑫诺二号”通讯卫星突然产生故障，没有能够按照原计划的程序规定点在规定的位置。这样直接造成了卫星无法提供正常的传输通讯任务，在我国航天事业的路上抹上了一个小污点，同时我国在经济上有很大的损失。中国在2010年8月18日，通过“长征二号丙”运载火箭发出“实践十一号04星”。火箭开始还好、但是随后在飞行中发生紧急故障，导致卫星未能进入原来设定的轨道。随后，因为受实践“十一号 04 星”发射出故障产生影响的缘故，导致任务总指挥部规定延后原来的南宫一号发射方案。考虑怎么样让复杂控制系统的可靠性得到提高，以保证系统在出现紧急故障的时候拥有一定的容错能力，因为这件事情，所以受到国内外许多学者的关注[3-5]。
在日常系统的运用中，系统可能随时发生故障，主要故障有三个：执行器故障、元器件故障、传感器故障。在日常生产中，倘若出现故障那么会导致生产异常，如果严重到一定程度会使生产停止，所以大大增加系统可靠性、安全性是我的首要任务。这样就可以让系统在发生故障的时候第一时间报警，并且为了下一步决定提供核心依据，从而保证生产过程可以有条不紊的进行着。另一方面，由于现代系统规模越来越大，造价成本越来越多，花费上亿来弄一套设备或卫星也是很常见的，于是乎人们必须密切关注故障诊断和容错控制，它不光可让系统的可靠度得到很大提高，还可以再经济损失上面减到最小化。由此可见，不论军用还是民用，故障诊断和容错技术的发展都是非常重要的。
动态系统的故障检测和诊断（FDD）在某方面来说是一门相对独立发展的技术，但也是容错控制的重要核心。总而言之，容错技术控制在科学领域中低位远远低于动态系统故障检测和诊断，容错控制的理论运用方面也远远低于他们。当前基本每一年有数千篇以上的有关FDD论文报道在国际上发布。1976 年，Willsky 在 Automatica 上发表了第一篇 FDD 方面的综述文章。大约在1978年的时候，Himmelblau出版了国际上面关于FDD的开创之作[6-9]。在过去几十年里面，故障诊断和容错控制技术得到飞快的发展，一同时出来一些新兴理论并且都已经在这里得到了成功的应用，例如：主元分析、遗传算法、小波变换、非线性理论等。
目前，关于故障诊断和容错控制有几个方面的热点和难点：基于了解关于模型的故障诊断方法的主要成就依旧聚集在线性系统，深刻办理非线性系统的通用故障诊断技术是非常有意义的，于此同时，同样具有很高研究价值的问题就是鲁棒性问题。有关于信号处理的故障诊断方法具有很完善的发展，但对非线性系统的故障诊断中的应用还有待提高。关于这方面的热点还有小波转换技术[10-12]。不需要系统的定量数学模型，显然对在复杂的工业生产工程中有很高的实用价值。里面包含的定性模型的方法在发展中得到很大的飞跃。现代化设备越来越高端、人工智能技术发展也很快，因此关于神经网络和模糊技术的故障诊断方法的分析和研究程度也是越来越深入[13-15]。
在本篇文章中，对于线性鲁棒故障检测观测器系统的问题是经过未知输入信号的影响来研究的。通过 对故障的敏感性和 对干扰信号的鲁棒性，基于 和 的优化设计通过鲁棒故障检测观测器设计问题来描述。
故障检测系统的方法主要有两种，第一种是故障检测 统一法：
考虑如下频域描述的LTI系统
其中， 分别表示控制输入向量 、未知输入向量 、检测故障向量 到输出向量 的传递函数矩阵。
取残差产生器为
理想情况下 应满足
即产生的残差只依赖与故障。
第二种是 滤波方法：
考虑连续时间LTI系统
其中， 分别状态、测量输出、故障向量、未知输入、控制输入， 为适当维数的已知矩阵。假设 和 为 范数有界。
本篇文章基于现有的理论基础，利用 范数和 通过优化问题来描述出故障检测器的设计问题，这个优化问题可以通过线性矩阵不等式理论来求解，给出了迭代LMI算法，算法最终降低了保守性得出了更优的解，提出方法的有效性通过仿真得到了验证。
2.问题描述
考虑线性时不变动状态的空间描述为
(1) (2)
式中， 分别代表系统的状态向量、控制输入向量和测量输出向量； 表示由外界干扰等引起的未知输入，不失一般性，假设 表示系统的故障，也就是执行器故障、传感器故障还有元部件故障等；已知矩阵 具有合适的维数。并且，这里假设：
（1）（A,C）可检测；
（2） 对于所有 行满秩。
2.1残差的产生
传统的故障检测系统包含残差产生器、残差估计器两种，其中，一般来说残差估计器是决策逻辑、阈值检测、还有残差评价函数组成。目的是产生出残差，所以故障检测观测器设计为
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