可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于障診斷與容錯控制技術(shù)領域，尤其是涉及一種可調(diào)節(jié)故障的智能采樣 和檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代工程系統(tǒng)日益復雜化和大型化，對其安全性與可靠性的要求也越來越 高。特別是對于一些安全至上的系統(tǒng)如飛行器和化工設備等，常要求在發(fā)生故障的情況下 系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行，甚至能完成預設定的性能指標。在此背景下，動態(tài)系統(tǒng)的容錯控制研究 受到廣泛關注。在容錯控制諸多方法中，故障調(diào)節(jié)技術(shù)是在檢測故障發(fā)生后對其進行辨識 和估計，然后修正控制率以補償故障帶來的負面影響，從而使系統(tǒng)盡量保持無故障時的性 能，因此被視為主動容錯最有效的方法之一，在過去數(shù)十年中得到快速發(fā)展。
[0003] 自適應觀測器具有結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)等優(yōu)點，因此被廣泛應用于連續(xù)時間線性 和非線性系統(tǒng)中。自適應觀測器在推廣應用于網(wǎng)絡控制系統(tǒng)時遇到了困難?？紤]到網(wǎng)絡控 制系統(tǒng)中經(jīng)常會出現(xiàn)時延、丟包等現(xiàn)象，因此假設采樣周期是非等間隔的，這種被動的非均 勻采樣方式在一定程度上增加了故障診斷和容錯控制的困難。另一方面，在保證系統(tǒng)性能 的前提下，主動調(diào)節(jié)采樣周期以降低計算和通訊資源消耗是目前網(wǎng)絡控制系統(tǒng)研究的一個 熱點及難點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對上述問題，提供一種可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測系統(tǒng)，能 夠?qū)崿F(xiàn)對定值故障的準確及時估計，而且利用盡可能少的采樣輸出以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案:本可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測 系統(tǒng)，包括以下步驟：
[0006] a、構(gòu)造包含執(zhí)行器故障和擾動的連續(xù)線性時不變系統(tǒng)模型；
[0007] b、根據(jù)步驟a中的連續(xù)線性時不變系統(tǒng)模型設計自適應故障診斷觀測器，并構(gòu)造 誤差方程；
[0008] c、利用步驟b中的自適應故障診斷觀測器獲取故障和狀態(tài)估計信息，根據(jù)故障和 狀態(tài)估計信息進一步設計最優(yōu)輸出狀態(tài)反饋容錯控制器；
[0009] d、設計非均勻采樣數(shù)據(jù)容錯控制率，并確定非均勻采樣數(shù)據(jù)的最小采樣間隔； [0010] e、利用智能采樣系統(tǒng)來獲取采樣時刻tk，保證在故障系統(tǒng)中輸入任然能夠?qū)崿F(xiàn)狀 態(tài)指數(shù)穩(wěn)定。
[0011]在上述的可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測系統(tǒng)中，所述步驟a中構(gòu)造的包含執(zhí)行器 故障和擾動的連續(xù)線性時不變系統(tǒng)模型如下：
[0013] 其中x(〇eRn為系統(tǒng)狀態(tài)向量，《(/)€『_為控制輸入向量，:為輸出向量， /(Oeir為待估計的定值故障，w(f) e]T是擾動輸入向量;六，8，(^4為已知的適維矩陣。
[0014] 在上述的可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測系統(tǒng)中，所述步驟b中根據(jù)連續(xù)線性時不 變系統(tǒng)模型設計自適應故障診斷觀測器如下：
[0016]其中，i⑴€lT為系統(tǒng)狀態(tài)向量，外)€，為輸出向量，/(/)e]T為故障的估計 值；其中L為觀測器增益，定義狀態(tài)估計誤差為= i⑴-.v(〇,輸出誤差為 心(0 =，(0-)'(0,故障估計誤差為e#) = ./>)-/(/),構(gòu)造的誤差方程如下：
[0018] 上述的故障為定值故障，即/_(〇 = 0，故障估計誤差變化率+〇〇 = ，設計自適 應故障估計算法./(/〇 =「fV, (〇.，Γ為自適應率，使得狀態(tài)估計誤差ex(t)和故障估計誤差ef (t)魯棒穩(wěn)定，并且滿足| Iey(t)| |2〈γι| Iw(t)| |2。
[0019] 在上述的可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測系統(tǒng)中，所述步驟c中基于所獲取的故障 和狀態(tài)估計信息，設計得到的最優(yōu)輸出狀態(tài)反饋容錯控制器如下：
[0020] u(t) = -Kx(t)- B'Ef(t)；
[0021] 其中，矩陣# 滿足(I-= Ο，控制器增益尤e K_為待設計參數(shù);此時 系統(tǒng)狀態(tài)為-亡⑴二(? 召《)-?) +[―掘Γ -￡ i?]//(t.)，ri(t) = [ex(t) ef(t) w(t)]T;對 于標量γ2>〇,保證自適應故障診斷觀測器的狀態(tài)反饋控制使系統(tǒng)狀態(tài)魯棒穩(wěn)定，滿足Hoc性 能I |x(t) | | < γ〗| |n(t) | 丨2。
[0022] 在上述的可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測系統(tǒng)中，所述步驟d設計的非均勻采樣數(shù) 據(jù)容錯控制率為=-?(&)- #矽(&)，最小采樣間隔的值滿足：
[0025]在上述的可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測系統(tǒng)中，所述步驟e中智能采樣系統(tǒng)能夠 根據(jù)自身狀態(tài)來觸發(fā)采樣，獲取采樣時刻tk，定義采樣間隔丫 = tk+1_tk，滿足：

[0029] 其中，Λ為離散間距，Nmax = tmax/A，其中tmax表示采樣間隔可能的最大值，
"對于系統(tǒng)由上式來確定采樣間隔γ時， 5 保證在故障系統(tǒng)中輸入任然能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)指數(shù)穩(wěn)定。
[0030] 與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:克服了基于觀測器的狀態(tài)反饋容錯控制 器的設計難點，與傳統(tǒng)的被動采樣方式，本發(fā)明主動設計了采樣時刻，同時本發(fā)明彌補了非 均勻采樣系統(tǒng)的容錯控制方面的空白，為非均勻采樣系統(tǒng)的故障診斷與容錯控制提供了方 法參考。本發(fā)明不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對定值故障的準確及時估計，而且利用盡可能少的采樣輸出 以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明利用智能采樣系統(tǒng)得到采樣時刻圖，圖中X坐標為采樣時刻，Υ坐標為 采樣間隔。
[0032] 圖2為本發(fā)明所設計自適應故障診斷觀測器的故障估計及真實值曲線圖，線a為真 實值，線b為估計值。
[0033]圖3為本發(fā)明中系統(tǒng)的輸出曲線。
【具體實施方式】
[0034] 本方案中的可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測系統(tǒng)，包括以下步驟：
[0035] a、構(gòu)造包含執(zhí)行器故障和擾動的連續(xù)線性時不變系統(tǒng)模型；
[0036] b、根據(jù)步驟a中的連續(xù)線性時不變系統(tǒng)模型設計自適應故障診斷觀測器，并構(gòu)造 誤差方程；
[0037] c、利用步驟b中的自適應故障診斷觀測器獲取故障和狀態(tài)估計信息，根據(jù)故障和 狀態(tài)估計信息進一步設計最優(yōu)輸出狀態(tài)反饋容錯控制器；
[0038] d、設計非均勻采樣數(shù)據(jù)容錯控制率，并確定非均勻采樣數(shù)據(jù)的最小采樣間隔；
[0039] e、利用智能采樣系統(tǒng)來獲取采樣時刻tk，保證在故障系統(tǒng)中輸入任然能夠?qū)崿F(xiàn)狀 態(tài)指數(shù)穩(wěn)定。
[0040] 在上述的可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測系統(tǒng)中，所述步驟a中構(gòu)造的包含執(zhí)行器 故障和擾動的連續(xù)線性時不變系統(tǒng)模型如下：
[0042] 其中雄)為系統(tǒng)狀態(tài)向量，μ(?)_€『為控制輸入向量，少(/) e_!Rp為輸出向量， /(〇6『為待估計的定值故障，_)€脫"是擾動輸入向量丄8，(：，〇4為已知的適維矩陣。
[0043] 在上述的可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測系統(tǒng)中，所述步驟b中根據(jù)連續(xù)線性時不 變系統(tǒng)模型設計自適應故障診斷觀測器如下：
[0045]其中，i⑴e IT為系統(tǒng)狀態(tài)向量，，(0 e IT為輸出向量，e，為故障的估計 值；其中L為觀測器增益，ielTM ;定義狀態(tài)估計誤差為t⑴⑴-.ν(?)，輸出誤差為 ￡>, (0 =處)-_>仍，故障估計誤差為義⑴=/〇)-/(〇,構(gòu)造的誤差方程如下：
[0047] 上述的故障為定值故障，即/(〇 = 0，:故障估計誤差變化率=/〇>，設計自適 應故障估計算法./_(/) .=「斤,(/*)，Γ為自適應率，使得狀態(tài)估計誤差ex(t)和故障估計誤差ef (t)魯棒穩(wěn)定，并且滿足| Iey(t)| |2〈γι| Iw(t)| |2。
[0048] 在上述的可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測系統(tǒng)中，所述步驟c中基于所獲取的故障 和狀態(tài)估計信息，設計得到的最優(yōu)輸出狀態(tài)反饋容錯控制器如下：
[0050] 其中，矩陣# e 1TXS滿足(/ -5#)五=0，控制器增益[e K_為待設計參數(shù);此時 系統(tǒng)狀態(tài)為-亡(0=(^ -沒人）丄(0+[-方& -S t)，ri(t) = [ex(t) ef ⑴ w(t)]T;對 于標量γ2>〇,保證自適應故障診斷觀測器的狀態(tài)反饋控制使系統(tǒng)狀態(tài)魯棒穩(wěn)定，滿足Hoc性 能I |x(t) | | < γ〗| |n(t) | 丨2。
[0051] 在上述的可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測系統(tǒng)中，所述步驟d設計的非均勻采樣數(shù) 據(jù)容錯控制率為〃，最小采樣間隔的值滿足：
[0054]在上述的可調(diào)節(jié)故障的智能采樣和檢測系統(tǒng)中，所述步驟e中智能采樣系統(tǒng)能夠 根據(jù)自身狀態(tài)來觸發(fā)采樣，獲取采樣時刻tk，定義采樣間隔γ = tk+1_tk，滿足：
[0058] 其中，Δ為離散間距，Nmax = tmax/ Δ，其中。^表示采樣間隔可能的最大值，
J寸于系統(tǒng)由上式來確定采樣間隔γ時， 保證在故障系統(tǒng)中輸入任然能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)指數(shù)穩(wěn)定。
[0059] 下面結(jié)合圖1、圖2、圖3對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明：
[0060] 步驟a:構(gòu)造的包含執(zhí)行器故障和擾動的連續(xù)線性時不變系統(tǒng)模型如下：
[0062] 其中沖)￡，為狀態(tài)向量，《(Oeir為控制輸入向量，j〇)eir為輸出向量， /(〇eir為待估計的定值故障，是擾動輸入向量。A，B，C，D，E為已知適維矩陣。進 一步假設rank(B，E) =rank(B)，該條件意味著span(B) espan(E)，在實際中許多常見故障 如執(zhí)行