基于有限频和参数估计的传感器故障诊断方法研究

摘要

由于动态控制系统对可靠性、安全性和有效性等性能指标的要求不断提高，使得故障检测与诊断技术在过去的几十年多年间得到了快速的发展。由于系统可靠性和安全性在工业生产过程、航空航天等领域的要求不断提高，故障诊断技术已经成为当前研究的热门领域之一，而基于模型的故障诊断方法是故障检测与诊断技术中广泛应用的一种强力的有效的方法。近年来，人们开始把H∞技术引入到基于模型的故障诊断方法中去，以此来加强干扰鲁棒性，提出了很多的故障诊断方法。然而，这些方法中仍然还存在着一些问题需要加以解决。例如，有时故障的频率范围是可以事先知道的，比如，卡死故障的频率为零。对于这些故障频率范围已知的情况，基于全频域来设计滤波器在一定程度上会引入保守性。
　　本论文在前人研究的基础上，借助于广义KYP引理（该引理能准确地刻画故障、干扰和伺服输入的有限频特征），给出了故障检测滤波器设计方法，解决了频率加权所带来的不准确性问题。另外，本文根据实际系统中常常存在不确定性的实际情况，在第三章中研究了含有多胞型不确定性的线性连续系统的故障诊断问题，并在第四章中，将第三章的内容进一步推广到了具有随机丢包的不确定网络控制系统中。本论文中第三章和第四章的结果分别应用于F-404航空发动机和NASA高攻角验证机的故障检测滤波器的设计中。
　　第1-2章对故障检测与诊断技术这一前沿研究领域的发展历程及研究现状做了深入地分析和总结，并给出了与本文相关的一些必要的预备知识。
　　第3章针对线性连续不确定系统，研究了一类具有传感器失效故障诊断问题（考虑了外界干扰对故障诊断的影响）。所设计的滤波器能有效的估计失效故障模型的失效因子。此外，还考虑了外界干扰及伺服输入的频率特性，其中常值伺服输入的频率始终为零，并且借助于广义KYP引理，将频域的不等式问题转化为矩阵不等式问题。其次，给出了一个基于线性矩阵不等式(LMI)的多目标最优化问题，来求解滤波器的系数矩阵。最后，利用一个F-404航空发动机模型来验证了本章方法的有效性。
　　第4章针对具有随机丢包的不确定网络控制系统，研究了一类具有传感器失效故障诊断问题（考虑了外界干扰对故障诊断的影响），并将第三章的设计思想延伸到了网络控制系统中。最后，本章的结果应用于NASA高攻角验证机的故障检测滤波器的设计中，仿真算例验证了所提方法的有效性。
　　最后对全文所做的工作进行了总结，并对下一步研究进行了展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 故障检测的发展历程和研究现状

1．2．1 基于信号处理的故障诊断方法

1．2．2 基于模型的故障诊断方法

1．2．3 基于知识的故障诊断方法

1．3 本文的主要工作

第2章 预备知识

2．1 一些引理

2．2 本文使用的符号

第3章 基于有限频和参数估计的不确定系统传感器故障诊断

3．1 引言

3．2 问题描述

3．2．1 系统模型

3．2．2 传感器失效故障

3．2．3 滤波器设计策略

3．3 主要结论

3．3．1 估计误差对外界干扰鲁棒的LMI条件

3．3．2 性能指标(3．10)的LMI条件

3．3．3 增广误差系统渐近稳定的LMI条件

3．3．4 滤波器设计

3．4 阈值设计

3．5 仿真实例

3．6 结论

第4章 具有随机丢包的不确定网络控制系统传感器故障诊断

4．1 引言

4．2 问题描述

4．2．1 系统模型

4．2．2 传感器失效故障

4．2．3 滤波器设计策略

4．3 主要结论

4．3．1 估计误差对外界干扰鲁棒的LMI条件

4．3．2 性能指标(4．18)的LMI条件

4．3．3 增广误差系统均方渐近稳定的LMI条件

4．4 阈值设计

4．5 仿真实例

4．6 结论

第5章 结论与展望

参考文献

致谢