基于传感器最优配置的故障检测方法研究

论文题目: 基于传感器最优配置的故障检测方法研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 控制理论与控制工程

作者: 彭涛

导师: 桂卫华

关键词: 故障检测,传感器最优配置,残差生成,鲁棒性,灵敏度,优化

文献来源: 中南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 近年来,基于模型故障检测技术在理论研究及一定领域内的实际应用中都取得了令人瞩目的进展,关于传感器最优配置的研究在基于知识的方法方面也获得一些进展。但故障检测方法的研究都默认传感器的位置是给定的,对于通过传感器最优配置,获得尽可能多的关于过程运行状态的信息,从而提高鲁棒故障检测精度的研究目前还未得到足够重视。本论文在总结基于模型故障检测方法的基础上,针对线性时不变系统,着重研究了基于混合H_/H_∞故障检测系统多目标优化设计方法,提出了通过结合传感器最优配置设计进行故障检测研究的新思路和新方法,并通过算例仿真和实例实验与仿真证明了算法的有效性和可行性。其主要工作和研究成果体现在以下几个方面: ·针对线性时不变动态系统,提出一种基于观测器的混合H_/H_∞故障检测系统的线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)优化设计方法。采用直接LMI技术,获得了混合H_/H_∞故障检测观测器增益存在条件以及求解方法,并给出获得其最优解的迭代算法,从而构造出一个最优的故障检测系统。用该方法所设计的系统,可以在保证系统稳定的前提下,达到对故障尽可能灵敏,而同时对模型不确定性等未知输入尽可能鲁棒之间的最佳平衡。仿真算例说明了设计方法及算法的有效性。 ·针对线性时不变动态系统,提出一种基于观测器的非凸多目标H_/H_∞故障检测滤波器优化设计方法。将由输出观测器和后滤波器组成的残差生成器描述为非凸的双线性矩阵不等式(Bilinear Matrix Inequalities,BMIs)形式,通过用双线性矩阵不等式中可完全平方非正定项的上界替代原非正定项,将BMIs转化为一组线性矩阵不等式,获得了优化问题的可解条件以及观测器增益与后滤波器矩阵的求解方法,并证明了算法的收敛性。所设计的故障检测滤波器同样可以达到对故障具有高灵敏度而同时对未知输入具有强鲁棒性。相比仅基于输出观测器而无后滤波器的故障检测滤波器,该方法具有更大的设计自由度。仿真算例以及滚动轴承实验都证明了设计方法及算法的有效性。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 课题的提出和意义

1.2 故障诊断的基本问题

1.2.1 任务与性能指标

1.2.2 故障诊断方法

1.2.3 鲁棒性与灵敏度问题

1.3 基于观测器的混合 H_/H_∞故障检测方法研究现状

1.4 传感器最优配置问题

1.4.1 传感器最优配置的任务与性能指标

1.4.2 传感器最优配置方法

1.5 基于传感器最优配置的故障检测方法研究现状

1.6 论文主要研究内容与结构安排

第二章 基于混合 H_/H_∞故障检测系统的优化设计

2.1 问题的提出

2.2 基于模型的故障诊断原理

2.2.1 故障系统建模

2.2.2 残差生成的一般形式

2.2.3 残差生成方法

2.3 基于观测器方法的故障检测原理

2.3.1 残差生成(Residual generation)

2.3.2 故障可检测条件

2.3.3 残差评价(Residual evaluation)

2.4 基于线性矩阵不等式(LMI)方法求解H_∞问题

2.5 无后滤波器情况下故障检测系统的优化设计

2.5.1 问题描述

2.5.2 设计方法及主要结果

2.5.3 优化算法

2.5.4 仿真研究

2.6 本章小结

第三章 基于混合 H_/H_∞故障检测滤波器的多目标优化设计

3.1 问题的提出

3.2 带后滤波器情况下故障检测系统描述

3.3 多目标优化设计方法

3.4 仿真研究

3.5 应用实例——滚动轴承实验系统

3.5.1 实验装置

3.5.2 轴承振动与故障建模

3.5.3 基于观测器方法实验仿真

3.5.4 基于小波变换的包络解调方法实验仿真

3.6 本章小结

第四章 基于传感器最优配置的故障检测观测器设计

4.1 引言

4.2 基于传感器最优配置的故障检测问题描述

4.3 基于传感器最优配置的故障检测观测器设计

4.3.1 最小成本模型

4.3.2 最大鲁棒故障检测精度模型

4.3.3 多目标优化模型

4.4 仿真研究

4.4.1 汽车动态系统模型与传感器模型

4.4.2 仿真实现与结果

4.5 本章小结

第五章 基于传感器最优配置的等价空间故障检测方法

5.1 引言

5.2 基于等价空间方法的故障检测原理

5.2.1 基于硬件(直接)冗余残差生成的故障检测

5.2.2 基于软件(连续)冗余残差生成的故障检测

5.3 基于传感器最优配置的等价空间故障检测方法

5.3.1 传感器最优配置问题描述

5.3.2 基于传感器最优配置的故障检测问题描述

5.3.3 优化设计方法和主要结果

5.3.4 优化设计步骤

5.4 仿真研究

5.5 本章小结

第六章 结束语

6.1 本文工作总结

6.2 有待进一步研究的问题

参考文献

在学期间发表的学术论文

在学期间取得的科研成果

致谢

发布时间: 2006-03-28

参考文献

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