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《东北大学》 2008年
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基于LMI技术的线性系统故障检测方法

王恒  
【摘要】: 随着工业过程和航空航天领域对系统可靠性和安全性要求的提高,故障检测技术已经成为当前研究的热门之一,而基于模型的故障检测方法是故障检测技术中广泛应用的一种有效方法。近来,人们开始把H∞和H_技术引入到基于模型的故障检测方法中来加强干扰鲁棒性和故障敏感性,提出了很多故障检测方法。然而,已存方法中仍有一些问题需要解决。例如,采用加权函数来限制故障频率范围会带来不准确性,对于任意小卡死故障已有技术不再可用等。本论文在前人工作的基础上,给出了新的故障检测滤波器设计方法,解决了频率加权带来的不准确性问题,可以准确地刻画故障和干扰的有限频特征;提出了基于稳态的故障检测方法,可以有效地检测任意小的卡死型故障,尤其是中断故障,这是已有故障检测技术所无法解决的。另外,本文针对实际系统中常常存在不确定性的情况,研究了系统中含有多胞不确定性时的故障检测问题。本文的一些结果用到了VTOL飞机和F-18战斗机的故障检测滤波器或观测器的设计中,仿真算例验证了本文提出方法的优越性和有效性。 第1-2章系统地分析和总结了故障检测这一前沿研究领域的发展现状及研究方法,并给出了与本文相关的一些预备知识。 第3-4章分别研究了线性系统没有不确定性和具有不确定性时的故障检测问题。通过同时满足H_和H∞性能指标,故障敏感性和干扰的鲁棒性都得到了增强,引入新提出的广义KYP引理来描述这两个有限频性能指标,可以对有限频性能指标进行直接处理,避免了加权函数引入的保守性。最后故障检测问题转化成一个基于线性矩阵不等式的多目标优化问题。仿真算例给出了本文提出方法与已有技术的比较,验证了这两章提出方法的优越性。 第5-6章分别考虑了具有多胞不确定性的线性系统和线性参数变化系统的同时故障检测与控制问题,考虑的故障仍然假定在已知的频率范围内,设计了一个检测器/控制器来产生两个信号:检测信号和控制信号,分别用来检测故障和控制原开环系统并满足一些控制性能指标。因为第5章中的不确定系统的输出反馈控制问题是一个很难的非凸问题,为了求解这一章的问题,采用了新提出的二步过程来设计这个检测器/控制器。基于一些线性化技术,第6章需要满足的一些有限频性能指标最后转化成一组线性矩阵不等式,可以通过MATLAB控制工具箱直接求解。仿真算例验证了这两章提出方法的有效性。 第7章主要考虑的是对线性不确定系统的故障估计问题。不同于已有的方法,这一章借助于广义KYP引理来描述故障的有限频特征,直接对有限频性能指标进行处理,可以避免加权函数带来的复杂度和不准确性。在仿真算例中,通过与已有方法的比较,可以看出这一章提出的故障估计方法得到了更好的故障估计和干扰抑制效果。 第8章研究了一类不确定状态反馈跟踪控制系统的故障检测问题,考虑了执行器的卡死故障。通过满足一定的性能指标,设计了一个加权矩阵来产生残差,使得系统在没有故障发生时残差信号的幅值小于在有执行器发生卡死故障时残差信号的幅值。通过一个基于线性矩阵不等式的迭代算法求得这个加权矩阵的解。需要指出的是这一章提出的方法可以有效地检测执行器卡死故障尤其是中断的情况,这用已有的技术是无法实现的。在仿真算例中,通过与已有技术的比较,验证了这一章提出方法的优越性。 第9-10章分别研究了同时故障检测与控制,同时故障检测与滤波的问题。需要指出的是这两章给出的同时设计可以大大减小分别单独设计带来的复杂性。此外,这两章提出的方法可以检测任意小的执行器或传感器卡死故障包括中断情况,这用已有技术是无法处理的。仿真算例验证了这两章方法的有效性。 最后对全文所做的工作进行了总结,并指明了下一步研究的方向。
【学位授予单位】:

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