基于人工免疫原理的故障检测模型与容错控制方法研究

论文摘要

现代机电产品正在变得越来越复杂,这使得机电产品在对功能和性能要求越来越高的同时,对其可靠性和安全性的要求也越来越高。本文以提高机电产品可靠性和安全性的方法与技术的研究为主线,综合运用人工免疫原理、故障诊断技术及冗余、重构等容错方法,对机电产品的故障诊断技术与容错控制方法进行了较为深入和系统的研究。基于人工免疫的思想探讨了容错控制系统设计的基本原理和方法,提出了容错控制系统整体设计方案和框架,并对系统容错设计中的关键技术进行了介绍。针对不同类型的故障提出了基于冗余、重构、软件容错等容错设计方案。基于人工免疫系统（artificial immune system-AIS）原理,对机电产品的故障诊断技术进行了研究。采用阴性选择算法建立了机电产品免疫故障诊断的响应模型,对建立模型涉及的相关算法和参数确定方法进行了探讨、研究。以上述的响应模型为基础,提出了机电产品免疫故障诊断系统的总体框架,设计并开发了机电产品免疫故障诊断系统,对系统故障诊断功能的测试结果表明该系统具有良好的诊断性能。采用软件重构技术对机电产品的容错系统设计进行了研究。采用模块化的设计思想对机电产品的控制系统软件进行了容错重构功能的再设计,当系统发生故障时,软件系统的结构、性能等方面能够自适应组合、调整。以移动机器人为实例,对其控制系统进行了分层模块化设计,并提出了一种底层模块的ID（Identification）自识别方法,即为每个组件模块设置唯一的ID号,能很好地支持移动机器人控制系统软件的重构。借鉴生物免疫系统的自学习、存储记忆、免疫应答等机理,设计了一种新颖的免疫容错控制器（Immune Fault-Tolerant Controller-IFTC）,将该免疫容错控制器与前面研究的AIS故障诊断方法以及软件重构技术等容错设计方法相结合,设计了移动机器人的容错控制系统。通过仿真验证了所提出的容错控制系统的可行性与有效性。本论文研究的基于人工免疫原理的机电产品的故障诊断技术与容错控制方法为机电产品的容错纠错设计提供了一套行之有效的理论、方法与技术。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景以及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 故障诊断及容错技术发展与现状
• 1.2.2 人工免疫系统的发展与现状
• 1.2.3 人工免疫系统在故障诊断及容错控制领域的应用
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 机电产品容错系统的基本理论体系及系统框架结构
• 2.1 人工免疫系统基本原理及其相关算法
• 2.1.1 AIS 理论基础—生物免疫系统原理
• 2.1.2 AIS 常用算法
• 2.2 容错设计的概念与基本思想
• 2.3 容错控制系统设计及基本框架
• 2.4 容错设计系统中的关键技术
• 2.4.1 故障检测和诊断技术
• 2.4.2 故障屏蔽技术
• 2.4.3 冗余容错技术
• 2.4.4 软件容错技术
• 2.4.5 其他容错技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于AIS 的故障诊断方法研究
• 3.1 故障诊断中的AIS 响应模型研究
• 3.1.1 故障诊断中的AIS 响应模型
• 3.1.2 抗原与抗体编码及其相互匹配规则
• 3.1.3 故障特征提取
• 3.1.4 生成检测器
• 3.1.5 记忆抗体产生规则
• 3.1.6 克隆扩增和变异规则
• 3.1.7 抗原识别参数确定
• 3.1.8 循环终止条件
• 3.1.9 系统动态更新
• 3.2 基于AIS 的故障诊断系统设计和开发
• 3.2.1 系统初始化模块
• 3.2.2 检测器训练模块
• 3.2.3 记忆抗体训练模块
• 3.2.4 AIS 故障诊断模块
• 3.2.5 已知故障处理模块
• 3.2.6 未知故障处理模块
• 3.3 基于A IS 的故障诊断原型系统设计实现
• 3.3.1 系统开发环境建立及开发工具选择
• 3.3.2 系统动态参数设置
• 3.3.3 检测器及记忆抗体训练
• 3.3.4 系统识别功能测试
• 3.3.5 系统实例测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于重构思想的软件容错控制方法研究
• 4.1 软件容错技术
• 4.1.1 N 版本程序设计（NVP）
• 4.1.2 恢复块（Recovery Block）技术
• 4.2 实现容错软件设计的相关技术
• 4.2.1 软件故障检测技术
• 4.2.2 故障恢复技术
• 4.2.3 故障隔离
• 4.2.4 继续服务
• 4.3 软件容错系统设计
• 4.3.1 模块化设计
• 4.3.2 分布式分层体系结构
• 4.3.3 支持可重构的实现技术和实现机制
• 4.4 移动机器人软件容错系统设计
• 4.4.1 控制系统总体结构
• 4.4.2 可重构软件容错系统设计
• 4.4.3 基于底层模块的ID 自识别方法
• 4.4.4 可重构容错控制系统性能测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于免疫机理的容错控制器研究
• 5.1 免疫的基本理论
• 5.1.1 免疫的概念
• 5.1.2 一般免疫算法
• 5.2 免疫容错控制器设计
• 5.2.1 控制抗体的产生及存储
• 5.2.2 控制抗体的工作过程
• 5.3 免疫容错控制系统设计
• 5.3.1 控制策略
• 5.3.2 控制抗体管理
• 5.4 移动机器人容错控制
• 5.4.1 移动机器人的模型
• 5.4.2 移动机器人的容错控制
• 5.5 仿真实例
• 5.6 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果