[發(fā)明專利]基于自適應未知輸入觀測器的快速故障估計方法及設備

有效

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• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN113031570B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發(fā)明（設計）人: 馬廣富;郭延寧
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 沈陽天贏專利代理有限公司 21251
• 代理人: 孫萬玲

本發(fā)明的實施例提供了一種基于自適應未知輸入觀測器的快速故障估計方法及設備。所述方法包括建立動態(tài)控制系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)模型；根據(jù)所述非線性系統(tǒng)模型的增廣狀態(tài)向量建立增廣系統(tǒng)模型；根據(jù)所述增廣系統(tǒng)模型建立自適應未知輸入觀測器，使所述自適應未知輸入觀測器滿足第一條件；計算增廣狀態(tài)估計誤差和執(zhí)行器故障估計誤差；通過線性矩陣不等式對所述自適應未知輸入觀測器進行誤差優(yōu)化，計算優(yōu)化后的觀測器參數(shù)；對所述非線性系統(tǒng)模型的執(zhí)行器故障以及傳感器故障進行估計。以此方式，可以使得動態(tài)控制系統(tǒng)在發(fā)生故障后，能夠及時得到故障信息及具體的故障情況，在盡可能準確估計故障幅值的同時抑制外部干擾對故障估計結(jié)果的影響。

技術(shù)領域

本發(fā)明的實施例一般涉及動態(tài)控制系統(tǒng)故障估計領域，并且更具體地，涉及基于自適應未知輸入觀測器的快速故障估計方法及設備。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代系統(tǒng)變得越來越復雜，高可靠性和安全性是系統(tǒng)至關重要的要求，因此故障診斷及故障估計引起了學者們的廣泛研究。一個動態(tài)系統(tǒng)容易受到各種類型的外部環(huán)境的影響，因此，系統(tǒng)的可靠性很容易降低，甚至會受到可能導致系統(tǒng)損壞的某些故障的影響，例如系統(tǒng)主要功能的降低或者系統(tǒng)的徹底崩潰等。因此，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，應該盡早發(fā)現(xiàn)故障，定位故障的位置，并盡可能準確地確定故障的嚴重程度。

在實際工程領域中，故障是非常常見的。它們指的是系統(tǒng)的至少一個組件或參數(shù)偏離正常值并導致系統(tǒng)性能下降的情況。因此，導致系統(tǒng)指定的任務無法完成。故障診斷的目的是檢測系統(tǒng)故障的發(fā)生，并進一步確定其位置，以防止整個系統(tǒng)的崩潰。在最近的研究中，故障診斷方法被分為四類:基于數(shù)學模型的方法、基于信號的方法、基于知識的方法和混合方法。其中，基于數(shù)學模型的方法是最有力的設計工具，因此受到許多學者的青睞。根據(jù)研究，基于數(shù)學模型的設計方法中應用最多的便是基于觀測器的設計方法。該方法將被測裝置的輸出與系統(tǒng)模型中設計的觀測器的輸出進行比較，然后形成殘差信息。雖然該方法和產(chǎn)生的殘差可以用來檢測和定位故障源，并產(chǎn)生報警信號，但不能提供關于故障幅度的信息。因此，為了更有效地處理故障，需要準確估計故障幅度。目前基于觀測器的故障估計方法在處理外部干擾時大多采用未知輸入觀測器對干擾進行解耦，以減小干擾對故障估計的影響，但現(xiàn)有的基于未知輸入觀測器的故障估計方法在進行非線性系統(tǒng)的故障估計時都需要滿足嚴格的觀測器匹配條件，這在一定程度上限制了該方法的實際應用范圍。而且在考慮外部干擾時，一般只考慮過程干擾的影響，并未考慮傳感器端測量噪聲的影響。另一方面，故障估計的性能也是值得關注的，在進行故障估計時不僅要保證故障估計的準確性，同時也要保證故障估計的快速性。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種基于自適應未知輸入觀測器的快速故障估計方案，以解決非線性動態(tài)系統(tǒng)的魯棒故障估計問題，該方案同時考慮了系統(tǒng)非線性因素、系統(tǒng)外部干擾、系統(tǒng)傳感器故障及系統(tǒng)執(zhí)行器故障問題。

在本發(fā)明的第一方面，提供了一種基于自適應未知輸入觀測器的快速故障估計方法。該方法包括：

建立動態(tài)控制系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)模型；所述非線性系統(tǒng)模型包含執(zhí)行器故障和傳感器故障；

根據(jù)所述非線性系統(tǒng)模型的增廣狀態(tài)向量建立增廣系統(tǒng)模型；所述增廣狀態(tài)向量由非線性系統(tǒng)模型的狀態(tài)向量和所述傳感器故障進行定義；

根據(jù)所述增廣系統(tǒng)模型建立自適應未知輸入觀測器，使所述自適應未知輸入觀測器滿足第一條件；

計算所述自適應未知輸入觀測器與所述增廣系統(tǒng)模型之間的增廣狀態(tài)估計誤差和執(zhí)行器故障估計誤差；

通過線性矩陣不等式對所述自適應未知輸入觀測器進行誤差優(yōu)化，計算優(yōu)化后的觀測器參數(shù)；

根據(jù)優(yōu)化后的自適應未知輸入觀測器對所述非線性系統(tǒng)模型的執(zhí)行器故障以及傳感器故障進行估計。

進一步地，所述非線性系統(tǒng)模型為：