【正文】 ...................................................................................... 24 SimulinMatlab/ 簡介 .................................................................................................... 24 Matalb 簡介 ........................................................................................................ 24 Simulink 簡介 ...................................................................................................... 24 倒立擺故障檢測系統(tǒng)仿真 ........................................................................................... 25 倒立擺故障檢測系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù) ......................................................................... 25 Simulink 搭建模型 .............................................................................................. 26 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) IV 仿真結(jié)果 ....................................................................................................................... 26 第五章 總結(jié)和展望 .................................................................................... 31 總結(jié) ............................................................................................................................... 31 展望 ............................................................................................................................... 31 致謝 ................................................................................................................ 33 參考文獻 .......................................................................................................... 1 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 1 第一章 緒論 課題背景及意義 課題背景 站立在二十一世紀的今天，經(jīng)濟貿(mào)易全球化、信息流動全球化、文化交流全球化和生產(chǎn)制造全球化，無一不是依托現(xiàn)在高度發(fā)達的科學(xué)技術(shù)，科學(xué)技術(shù)使地球變得越來越小，現(xiàn)在的地球就像是一個村落，今天發(fā)生的事情，可能在明天就會傳遍全球。 首先，對最優(yōu)故障檢測方法進行了深入的研究 ,確定了進行設(shè)計的前提條件。然后，針對倒立擺系統(tǒng)建立其機理模型。伴隨現(xiàn)代化的生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)日新月異，設(shè)備的結(jié)構(gòu)日趨復(fù) 雜化，設(shè)備的功能日趨完善化，自動化程度愈來愈高。 在現(xiàn)實社會和日常生產(chǎn)生活中，由于各類場所的需要，加快對故障的反應(yīng)速度和檢測的準確度，以及對故障的快速修復(fù)能力，人類大量在機器人、高空飛行器及配套火箭推進系統(tǒng)、衛(wèi)星及相關(guān)功能的故障檢測上投入大量人力物力進行實踐研究，以期望能得到最佳效果，而其中，倒立擺研究是眾多研究人員所喜愛的。 (2)高空飛行器 在火箭等高空飛行器的高空航飛過程中，為了保持其正確的姿態(tài)，要不斷進行實時檢測。 倒立擺系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 現(xiàn)如今一系列關(guān) 于倒立擺的研究主要集中在亞洲，如中國的北京師范大學(xué)、等；韓國的釜山大學(xué)等，此外，俄羅斯的圣彼得堡大學(xué)、美國的東佛羅里達大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院、波蘭的波茲南技術(shù)大學(xué)、意大利的佛羅倫薩大學(xué)也對這個領(lǐng)域有持續(xù)的研究。倒立擺的檢測是檢測理論應(yīng)用的一個典型范例 ,一個穩(wěn)定的倒立擺系統(tǒng)對于證實狀態(tài)空間理論的實用性是非常有用的。故障檢測的研究的領(lǐng)域，就是使工程檢測監(jiān)控能力強大化和復(fù)雜精細系統(tǒng)運行自動化研究的重要領(lǐng)域。故障檢測是通過現(xiàn)象判斷本質(zhì)，通過局部表現(xiàn)對整體進行預(yù)測，依據(jù)以見從而預(yù)測到未見的過程。判別故障檢測系統(tǒng)的性能指標主要有：故障檢測的及時性、故障檢測的靈敏度、故障的誤報率和漏報率和故障檢測系統(tǒng)的魯棒性等。本文的主要工作是在認識分析平面倒立擺系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對一級平面倒立擺系統(tǒng)進行了建模，并采用線性二次型最優(yōu)檢測算法實現(xiàn)一級平面倒立擺的最優(yōu)檢測。 通過檢測監(jiān)視、故障分析等，在設(shè)備結(jié)構(gòu)修改、優(yōu)化設(shè)計合理制造及生產(chǎn)過南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 程方面，能夠提供數(shù)據(jù)和信息，最終達到故障檢測的要求。 第二章最優(yōu)故障檢測方法。第四章是對模型的仿真，利用 SimulinkMa tlab/搭建模型，并得到仿真結(jié)果。早期基于模型的故障檢測系統(tǒng)只能在一個較小的范圍之內(nèi)檢測故障模型的不確定性和魯棒性。實際目的是找出合適的故障檢測系統(tǒng)，所以： ??? ?? ( m in )最小定性模型的不 確 ( m a x )最大度故障 靈 障 也可表示為： ( m in )最小度故障 靈 障 定性模型的不 確].[ ?A 或者 ( m i n )最小度故障 靈 障定性模型的不 確].[ ??B 這樣實際問題就得到了簡化，從而形成了解決問題的 ][A 、 ][B 簡化方案。近期，由 Ding 等人提出的一個觀測分析故障檢測系統(tǒng)的輔助方法，其主要貢獻是提出了一個統(tǒng)一解決優(yōu)化問題的方案。 至此，一個描述故障檢測模型的前期工作完成了，此模型 是一個極好解決的干擾解耦問題的成果。 Ding 和 Frank 動態(tài)殘差產(chǎn)生器的公式 ()是由矩陣 ))()()()()(()()( sfsGsdsGsMsRsr fdu ?? ? () 產(chǎn)生。 ),( DCBA 表示系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，其傳遞函數(shù)矩陣為 BAsICDG s 1)( ???? 。 問題描述 故障檢測系統(tǒng)設(shè)計是用來進行如下多目標優(yōu)化問題： () m i nm i n/)()()()()(m i nsGsMsRsGMsRJfuduRHR ????? ?? () ??????? ??)()()()()(m in/sGsMsRsGMsRJfuduRHR南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 優(yōu)化公式 ()和 ()的意義將在后面的部分進行說明。 作出如下假設(shè)： .1A ),( AC 是檢測的值。 定理 2 由于系統(tǒng)公式 ()滿足假設(shè) 1A 、 2A 、 3A ，所以 ????)( )()( 11sG sGsR dodon () 公式 ()最優(yōu)解決 方案的值是由下面式子得出 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 ????????? )()(111, sGsGGJdofdo )()()(11m in1m in sGsGsGJdofdo??????， () 由定理 1 和 2 得到推論 1 由于系統(tǒng)公式 ()滿足假設(shè) 1A 、 2A 、 3A ，所以 ????)( )()( 11sG sGsR dodon () 同時優(yōu)化 ??/J , min/?J ， ??，J 和 min,?J 。此外，并不是每一個優(yōu)化解決方案，解決了特定的優(yōu)化問題之后，也可以適用于解決其他的優(yōu)化問題。 令 )()( sGsGG fifof ?? ，)()()( sGsGsG didod ?? 是由 )(Gf? 和 )(sGd? 共同分解所得。 基于狀態(tài)空間的故障檢測濾波器 故障檢測濾波器的動態(tài)方程 ))()(()()()(. tytyLtButxAtx ??? ???? () ))()()(())()(()( tDutxCtyVtytyVtr ????? ?? () 其動態(tài)是基于 ),()( ddd FCEAsG ? 的假設(shè)。這樣實現(xiàn)了一個特定的互質(zhì)分解 LLCAsICsM 12/12/1 )()( ???? ???? () )()()( 12/12/1 LDBLCAsICQDQsN ????? ???? () TDDQ? 1)( ??? QYCBDL TT () 其中 ??Y 為 Riccati 方程的解決方案。 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 第三章 倒立擺故障檢測系統(tǒng)建模 倒立擺系統(tǒng) 倒立擺作為 一個被控對象具有非線性 , 所以，以線性模型來研究非線性系統(tǒng)，在本質(zhì)上就是不現(xiàn)實的 , 而且時至今日也未曾見到以二級以上系統(tǒng)通過線性方法實現(xiàn)成功檢測二級的報道。 至此，本課題的研究方法，已經(jīng)提出，就 是狀態(tài)估計方法中的觀測器方法和濾波器方法。一個通過軸固定在小車上的連接著的圓柱重物(圖 中第 7 部分 )的鋁質(zhì)桿 (圖 中第 9 部分 )。此系統(tǒng)的輸入瞬時控制電壓 u 是用于產(chǎn)生給小車的壓力 F 。 線性模型公式 ()滿足下列可行的條件為： 20FN? ； ? ； 10?? 。 因此， LCF 的系統(tǒng)公式 ()給定為 )()()()( 11 sNsMBLCAsICIsG uuyu ???? ????? LLCAsICIsM u 1)()( ?? ???? BLCAsICsN u 1)()( ?? ??? 表 實驗室擺系統(tǒng) 100LIP 參數(shù) 常量 數(shù)值 單位 rK VN/ 11n mV/ 22n radV/ 33n mVs/ 44n radVs/ 0M gK 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 20 1M gK M gK sl m ? 2mKg N mKg 201N 22mKg 20xx/NN rF sKg/ C smKg /2 模型不定量 回顧線性模型公式 ()已經(jīng)得到的一個線性化的運行點。 觀測器 具體觀測器如下： )(00..?????????????????????????????????xCyLBdxEAxxud () 其中為 ?x 和 ?d 為 x 和 d 各自的導(dǎo)出量， 干擾補償?shù)臓顟B(tài)反饋控制器 一個具有干擾補償?shù)臓顟B(tài)反饋控制器如下： ?VdxKu ???? ?? () 其中觀測器的增益為 L ，反饋器的增益為 K 和前置濾波器的增益為 V 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 22 126 .9 9 8 3 0 .0 0 2 5 1 .9 5 4 4 0 .2 5 5 2 1 3 .7 5 2 3 1 3 .2 4 7 4 0 .4 0 2 7 0 .0 1 9 2 1 1 .9