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基于多目标观测器设计的故障检测与分离

周萌  
【摘要】:为了提高现代复杂控制系统运行过程的安全性,故障诊断技术受到国内外学者的广泛关注,其中以基于模型的故障诊断方法的研究最为深入。在实际应用过程中,受系统未建模动态、参数变化、测量噪声等因素的影响,控制对象精确的数学模型往往很难得到,进而影响故障诊断结果,造成误报、漏报等。为了在未知干扰的影响下准确地检测出故障信息,鲁棒故障诊断成为故障诊断领域研究的重要内容之一。鲁棒故障诊断不同于鲁棒状态估计,需要设计观测器使得所生成的残差在满足干扰鲁棒性能的同时提高残差对故障的敏感程度,但干扰鲁棒性能与故障敏感性能之间往往是相互矛盾的,因此,所设计的观测器需要对二者进行折中,为一类多目标观测器。本文主要围绕基于多目标观测器设计的故障检测与分离方法展开研究,主要工作与研究成果包括如下方面:研究了全频域内利用辅助输出的H_-/H_∞残差生成器的设计方法。为了在抑制干扰影响的同时最大化地提高残差对故障的敏感度,通常采用基于H_-/H_∞故障检测观测器的方法,分别利用H_∞范数和H_-指标来表征最坏情况下的干扰鲁棒性能及故障敏感性能。H_-指标要求系统输出方程中故障分布矩阵满足列满秩的条件,当只考虑执行器故障时,在全频域内无法进行H_-设计。为此,本文提出了一种在全频域内基于辅助输出的H_-/H_∞残差生成器的设计方法。首先,利用辅助输出生成增广系统,将执行器故障引入新的测量输出方程中,从而使得H_-指标得以进行设计。然后,针对增广系统设计H_-/H_∞残差生成器,采用迭代算法,降低求解过程的保守性。研究了有限频域H_-/H_∞残差生成器的设计方法。由于某些系统的H_-指标在全频域内为零,而在有限频域内并不为零,并且故障往往发生在有限频域,因此,研究有限频域的故障检测具有实际意义。目前已有的在有限频域内设计观测器的方法存在较大的保守性,为了降低保守性,本文通过引入了松弛矩阵等提出了一种改进的观测器求解方法,并在理论上证明了这一方法的优越性。接下来,研究了Lipschitz非线性系统有限频域H_-/H_∞残差生成器的设计方法。由于Lipschitz非线性项的存在,使得线性系统的广义KYP引理无法直接使用,本文首次给出了Lipschitz非线性系统有限频域H_-/H_∞残差生成器的设计条件,并将其整理成线性矩阵不等式的形式。研究了基于H_-/L_∞观测器的残差生成与残差评价的一体化设计。由于未知干扰的影响,使得无故障时所生成的残差并不为零,因此残差评价函数与阈值的选取至关重要,但目前国内外学者对残差评价研究得较少。常用的基于H_∞范数的残差评价方法主要适用于能量有界的信号,实际中很多信号并不满足能量有界,而是峰值有界。为此,本文针对具有峰值有界干扰的系统,研究了一种基于L_∞范数的干扰抑制方法,并与H_-指标相结合,提出了一种有限频域H_-/L_∞观测器的设计方法,使得生成的残差满足故障敏感性指标同时满足干扰的峰值-峰值抑制性能,并生成包含估计误差初值的动态阈值。本文将该方法分别推广到Lipschitz非线性系统和离散线性变参数系统,给出了观测器的设计条件。研究了基于未知输入H_-/H_∞观测器的故障检测与分离方法。目前针对H_-/H_∞故障检测观测器的研究主要集中在故障检测方面,对故障分离研究得较少。本文首先设计一组未知输入H_-/H_∞观测器,满足残差对干扰的H_∞鲁棒性能,同时使得每个未知输入观测器生成的残差仅与某一特定的执行器故障解耦而对其他故障敏感。之后,利用中心对称多胞体生成阈值,通过中心对称多胞体的中心值和生成矩阵的不断递推,得出每一时刻包含未知干扰的最大包络,并以此作为阈值。最后,对比所生成的结构性残差及阈值,实现故障检测与分离。


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