[發明專利]一種基于固定時間故障觀測器的故障診斷方法

在審

• 申請號: 202011225411.2
• 申請日: 2020-11-05
• 公開（公告）號: CN112347640A
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 倪駿康;張晨光;任瑩楠;孫振東;段菲宇
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/02
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 劉新瓊

本發明涉及一種基于固定時間故障觀測器的故障診斷方法，屬于故障診斷技術領域。包括：1)建立待診斷故障系統的數學模型；2)設計固定時間故障觀測器，使得故障觀測器能夠在固定時間內觀測得到故障向量；3)對故障觀測器系統進行穩定性分析，根據穩定性分析結果確定故障觀測器參數和故障觀測時間上界；4)確定故障診斷判據。本發明所提出的方法克服了既有的方法只能實現觀測器的漸進收斂，無法在有限時間內獲得準確的故障信息這一不足，可以在規定時間內實現故障信息的準確觀測，從而在規定時間內采取恰當的重構控制策略或者隔離策略，將故障對系統安全性和穩定性的影響降到最低。

技術領域

本發明涉及故障診斷領域，特別涉及一種基于固定時間故障觀測器的故障診斷方法。

背景技術

故障診斷技術是許多學科的一個重要問題，諸如，電氣、航空和宇航工程、車輛工程、化學工程、核工程。隨著使用時間的增長，系統中的元器件和部件會發生故障或失效，影響系統正常性能的發揮，甚至會破壞系統的安全性和穩定性，造成人員傷亡和財產損失。為了避免故障帶來的不利影響，系統中需要具備故障容忍能力。系統中實現故障容忍的關鍵因素包括：元器件冗余、故障診斷系統和重構系統。故障容忍功能的實現依賴于故障診斷系統提供的信息，并使用冗余的元器件取代故障的元器件。盡管在某些系統中建立了高度冗余機制來容忍硬件和軟件故障，例如飛機系統，依然需要故障診斷來監視和評估系統的安全性。在某些情況下，如果一個故障能夠被快速檢測和辨識，就可以及時采取恰當的重構控制策略或者隔離策略，將故障對系統安全性和穩定性的影響降到最低。

故障診斷方法大體被劃分為三類，一類是基于信號的故障診斷，一類是基于知識的故障診斷，一類是基于模型的故障診斷。基于信號的故障診斷利用能夠反映故障信息的量測信號特征，諸如，均值、趨勢和斜率，基于系統在故障和健康狀態不同的癥狀分析來做出故障診斷決定的。基于信號的故障診斷需要增加額外的傳感器和硬件設備，這增加了成本和系統的大小。此外，基于信號的故障診斷需要進行大量的信號處理，特征提取和數據分析，對故障診斷系統的軟硬件要求較高，還會增加故障診斷時間。基于知識的故障診斷利用各種人工智能方法，需要大量的歷史數據來訓練專家診斷系統。其局限性在于需要大量的歷史數據和復雜耗時的訓練過程。基于模型的故障診斷通過比較系統實際的量測輸出和故障觀測器的輸出來監視系統的變化，做出故障診斷決策。基于模型的故障診斷方法實施起來相對容易，對故障診斷系統的軟硬件要求不高，適用于能夠準確建立數學模型的系統，特別是在當今數字信號處理器取得巨大進步，這種方法顯得更為誘人。有很多觀測器被提出用于實現基于模型的故障診斷，例如自適應觀測器，Luenberger觀測器，擴展卡爾曼濾波器等。

然而，這些觀測器只能實現漸進收斂，這意味著準確的故障信息無法在有限時間內獲得，即這些算法無法實現快速準確的故障診斷。有限時穩定性的收斂時間取決于系統初值，然而，對于許多實際系統，其初始狀態是難以獲得的。此外，有限時穩定性的收斂時間隨初值的增長而無界增長，這限制了有限時穩定性在初值非常大實際系統控制中的應用。為了克服上述不足，研究人員提出固定時穩定性。固定時穩定性的主要特征在于穩定時間邊界是一個與初值無關的常數，這有助于收斂時間估計和控制器設計以滿足收斂時間的要求。然而，目前還沒有文獻報道基于固定時間故障觀測器的故障診斷方法。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于固定時間故障觀測器的故障診斷方法，以滿足故障診斷對快速性和準確性的要求。

技術方案

一種基于固定時間故障觀測器的故障診斷方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：建立待診斷故障系統的數學模型：

式中，x為狀態向量，u為控制輸入，A為系統矩陣，B為控制輸入增益，f表示系統故障向量；