【正文】 總結(jié)國內(nèi)外各種各類參考文獻可得知，倒立擺故障檢測系統(tǒng)具有重要的研究地位，它不僅是進行算法研究的重要工具，而且也是理論實踐教學(xué)的重要工具，其涉及機械工程，系統(tǒng)辨識，系統(tǒng)仿真，智能控制，信號處理等諸多學(xué)科門類，研究的難度較為大，到現(xiàn)今為止，該方面的成果已逐步增多，但是，國內(nèi)對其倒立擺故障檢測系統(tǒng)的研究：從硬件性平臺的設(shè)計與搭建，到模型系統(tǒng)的設(shè)定，再到系統(tǒng)軟件仿真和方法，對故障檢測方法的研究較少，本文致力于基于倒立擺最優(yōu)故障檢測設(shè)計。從圖 和圖 的檢測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在存在故障信號時，只對故障信號有反應(yīng)。 ?????????????1000010000100001V Simulink 搭建模型 圖 搭建模型 仿真結(jié)果 仿真輸入噪聲信號波形如圖 所示： 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 27 圖 噪聲信號 在干擾為零的 情況下，系統(tǒng)存在噪聲，目標(biāo)示波器產(chǎn)生如圖 波形。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。)(. tLytxLCAtytyLtxAtx ?????? ?? )()( tCxty ?? 其中 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 23 ??????????????????1 3 6 7 4 0 0 8 1 4 2 8 6 10000A ??????????????0003 0 0001 3 4 00000000B ?????????????1000010000100001C 且，設(shè) ? ?Ts 2520xx10 ????? 采用極點配置法，可以得到目標(biāo) k 值， 值如下所列 ?????????????0000000000001. 99 3116 .3 13 92. 84 0631 .8 16 3k 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 24 第四章 仿真 SimulinMatlab/ 簡介 Matalb 簡介 Matlab 最初是由 MolerCleve. 用 Fortran 語言設(shè)計的，有關(guān)矩陣的算法來自Linpack 和 Eispack 課題的研究成果；現(xiàn)在的 Matlab 程序是 MathWorks 公司用 C語言開發(fā)的。 L 選定為 6 . 9 9 8 3 0 . 0 0 2 5 1 . 9 5 4 40 . 2 5 5 2 1 3 . 7 5 2 3 1 3 . 2 4 7 40 . 4 0 2 7 0 . 0 1 9 2 1 1 . 9 9 8 13 . 5 6 0 2 6 4 . 3 4 9 0 1 5 8 . 1 1 1 3L????????? ???? 并且給出 6 . 9 9 8 3 0 . 0 0 2 5 0 . 0 0 4 4 00 . 2 5 5 2 1 3 . 7 5 2 3 1 3 . 2 4 7 4 1 . 0 0 0 00 . 4 0 2 7 0 . 1 4 7 8 1 3 . 9 1 3 1 0 . 0 0 8 23 . 5 6 0 2 4 2 . 8 7 6 0 1 8 4 . 4 2 1 3 0 . 1 3 6 2A L C???????? ? ? ?? ? ???。 四個多變量 此系統(tǒng)是非線性的且包含以下四個部分的變量： (1)小車的位置 r (由圖 第 6 部分表示 ) (2)小車的均速 .r (3)擺的角度 ? (4)角速度 .? 在上述的狀態(tài)變量中， r 是通過 固定在電機運動軸上的電勢計測量圓周的電勢得到， .r 是通過固定在電機上的測速發(fā)電機得到以及 ? 是通過測量固定在擺轉(zhuǎn)軸中心表層的電位器得到。模糊檢測器對系統(tǒng)模型的精確性要求不高 , 能基本實現(xiàn)倒立擺的穩(wěn)定 , 魯棒性較好。 引理 1(Zhou 等人 ) 鑒于系統(tǒng) )(sG 的狀態(tài)空間是由 ),( DCBA 實現(xiàn)的， 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 ?????? ? DC BjA ? 所有 ?的行滿秩， )()()( 1 sNsMsG ???? 使得左互質(zhì)分解存在， )(sN? 為內(nèi)質(zhì)。 假設(shè)在 )(sGd? 和 fG? 為位于 非零 軸無窮 遠處。優(yōu)化后的公式 ()導(dǎo)致 )()()()()()( 1 sfsGsGsdsGsr fdodi ???? () 其結(jié)果是，閾值應(yīng)設(shè)置如下 ddddoth sGsGJ ???? ??? )()(1 () 現(xiàn)在考慮優(yōu)化，類似上面的推導(dǎo)，有如下式子 ????)()( )()()( 11sGsQ sGsQsR dodo () 然后，得到 ??????? ???)()()()()()()()()()( 11sGsQsGsGsQsQsGsRsGsRdofdofd ))()(1()()()( 11 sGsGsGsQsQ fdodo???? ? ?? ))()(1()(1 11 sGsGsG fdodo??? ?? () 其中，無論 )()( sGsRf?和 )()(1 sGsGfdo ??或者獨立的 ?H 模和者 min. ，其傳遞方程矩陣分別為 fGsR ?)( 和 )()(1 sGsG fdo ?? 。 給定 ??RHBA, 適當(dāng)?shù)姆秶?，然? m inm in BAAB ?? 和 ?? ?? BAAB 因為 0))(( ?? ?? jG ， minG 可以解釋為矩陣 )(?jG 最小增益轉(zhuǎn)移，且等價于由 Hou 和 Patton 引入的 ?G 。 令 ))(),(( sNsM uu ?? 為 )(sGu 的左互質(zhì)分解，即 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 )()()( 1 sNsMsG uuu ???? 所以基于觀測器的殘差產(chǎn)生器可表示為 ))()()()()(()( susNsysMsRsr uu ?? ?? () )(sr 的傳遞函數(shù)矩陣 )(sR ，也被稱為后置濾波器，是一種屬于 ?RH 的參數(shù)化矩陣。 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 最優(yōu)方法的主要目的是找出一個統(tǒng)一的解決方案來解決上述的 ][A 、 ][B 問題。在基于模型故障檢測系統(tǒng)的設(shè)計時，面臨著這樣的問題：如何設(shè)計不確定性很強的模型的故障檢測系統(tǒng)，并且，同時考慮在設(shè)計中包含的以 故障檢測為前提的檢測的靈敏度問題。并對倒立擺系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和故障檢測方法研究的現(xiàn)狀做了說明。 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 ?????????????????????????????????????????????????相關(guān)分析方法頻譜分析法小波變換方法變換類方法等價空間方法濾波器方法觀測器方法狀態(tài)估計方法最小二乘法方法濾波器方法參數(shù)估計方法知識觀測器方法定性仿真方法定性觀測器方法基于定性模型的方法神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法模式識別方法模糊推理方法專家系統(tǒng)方法基于癥狀的方法故障檢測方法F F T 本論文主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排 在基本檢測理論的基礎(chǔ)上，最終實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，并達到課題要求之內(nèi)。 本質(zhì)上講，故障檢測是通過檢測出故障信號，并對之綜合處理，最終得出有關(guān)故障的綜合性評價的過程。倒立擺系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、高度非線性的、不穩(wěn)定的高階系統(tǒng)，是學(xué)習(xí)和研究現(xiàn)代檢測理論最合適的實驗裝南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 置。其主要應(yīng)用于以下幾方面： (1)機器人 機器人類人類站立與行走是雙倒立擺的近似系統(tǒng)，雖然從第一臺機器人問世與美國，到如今也有三十年的歷史，但是機器人的關(guān)鍵技術(shù) —— 機器人類人類行走控制與檢測問題至今仍未能解決到讓人滿意的程度。 關(guān)鍵詞 ： 倒立擺，最優(yōu)故障檢測，故障靈敏度，極點配置 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) II ABSTRACT Inverted pendulum system and biped robot, rocket, detection systems and various types of servo systems are very similar, therefore, observer based optimal fault detection design of r inverted pendulum system is of great significance. The core of the optimal fault detection is to make a trade off between fault sensitivity and robustness of model uncertainty. First, the optimal fault detection method is conducted indepth and the design prerequisite is determined. Then, according to the mechanism of inverted pendulum system, the open loop model is established. Furthermore, due to the instability of the system, pole placement method is employed to make the system stable. Finally, simulation is used to determine the correctness and accuracy of the model, and the effectiveness of the observerbased optimal fault detection method is verified. Key words: inverted pendulum, optimal fault detection, fault sensitivity, pole placement 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) III 目 錄 摘 要 ........................................................................................................... I ABSTRACT .....................................................................................................II 第一章 緒論 .................................................................................................. 1 課題背景及意義 ............................................................................................................. 1 課題背景 ............................................................................................................... 1 意義及主要應(yīng)用 ............