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《南京航空航天大学》 2010年
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基于协整理论的复杂动态工程系统状态监测方法应用研究

鲁帆  
【摘要】:现代工程系统所表现出来的构成复杂和大动态范围的特点使得变量信号的随机过程不再符合平稳性假设,而是非平稳随机过程,这给系统的状态监测任务带来了新的困难。广泛使用的基于信号分析的监测方法由于分析对象往往是单个信号,因此不能够对系统整体状态进行综合监测,而基于模型的方法又存在着系统模型难以建立的困难。对此本课题创新地借鉴了计量经济学领域的协整理论,基于该理论的基本概念和方法对上述类型的工程系统开展了基于模型的状态监测方法研究。 计量经济学中的协整理论认为,系统中的非平稳变量之间可能存在着长期的动态均衡关系。即各个变量围绕着一个共同的长期趋势随机波动,而与各自的非平稳性质无关。这个长期均衡关系就是协整关系。协整关系是由变量所处系统所决定的,描述了变量之间内在本质的相互关系。根据这样的理论观点,如果能够建立起工程系统变量之间的协整关系模型,那么当系统发生故障而造成变量之间关系被改变时,相应的信息便会反映在模型残差(新息变量)中。因此通过模型残差分析,便可以得到故障特征和系统状态信息。 就此,本课题研究中利用协整理论的基本概念和协整关系的检验方法,并结合工程系统状态监测任务的需要,对工程系统状态监测方法进行了研究。在系统状态监测模型的构建技术上,本课题采用了基于最大特征值所对应的协整关系向量模型和基于最大熵准则的多个协整关系向量线性组合模型两种方法,并对其分别进行了研究和对比。而对模型残差的分析,研究中分别从时域统计分析角度和频域特征分析的角度对多种系统状态下的监测模型残差进行了分析讨论。 研究结果表明,根据协整理论建立的系统状态监测模型,其残差在正常状态下是围绕零值附近波动的平稳序列。而当故障发生时残差序列的动态特征会发生明显改变。并且不同故障类型下的模型残差在时域和频域都有着不同的特征模式。从而证实了基于协整理论的状态监测方法的有效性。 在本课题的研究中,采用了液压舵面伺服控制系统仿真模型作为符合复杂动态工程系统特征的应用对象。该仿真模型为状态监测方法研究提供了必需的系统过程变量数据和模型验证的平台,是本课题研究的重要组成。
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