【正文】 總結(jié)國(guó)內(nèi)外各種各類參考文獻(xiàn)可得知，倒立擺故障檢測(cè)系統(tǒng)具有重要的研究地位，它不僅是進(jìn)行算法研究的重要工具，而且也是理論實(shí)踐教學(xué)的重要工具，其涉及機(jī)械工程，系統(tǒng)辨識(shí)，系統(tǒng)仿真，智能控制，信號(hào)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(guó)內(nèi)對(duì)其倒立擺故障檢測(cè)系統(tǒng)的研究：從硬件性平臺(tái)的設(shè)計(jì)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(duì)故障檢測(cè)方法的研究較少，本文致力于基于倒立擺最優(yōu)故障檢測(cè)設(shè)計(jì)。從圖 和圖 的檢測(cè)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在存在故障信號(hào)時(shí)，只對(duì)故障信號(hào)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(hào)波形如圖 所示： 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 圖 噪聲信號(hào) 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(lái)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(diǎn)。)(. tLytxLCAtytyLtxAtx ?????? ?? )()( tCxty ?? 其中 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(diǎn)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(jì) (論文 ) 24 第四章 仿真 SimulinMatlab/ 簡(jiǎn)介 Matalb 簡(jiǎn)介 Matlab 最初是由 MolerCleve. 用 Fortran 語(yǔ)言設(shè)計(jì)的，有關(guān)矩陣的算法來(lái)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(yǔ)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(gè)多變量 此系統(tǒng)是非線性的且包含以下四個(gè)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(guò) 固定在電機(jī)運(yùn)動(dòng)軸上的電勢(shì)計(jì)測(cè)量圓周的電勢(shì)得到， .r 是通過(guò)固定在電機(jī)上的測(cè)速發(fā)電機(jī)得到以及 ? 是通過(guò)測(cè)量固定在擺轉(zhuǎn)軸中心表層的電位器得到。模糊檢測(cè)器對(duì)系統(tǒng)模型的精確性要求不高 , 能基本實(shí)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(shí)現(xiàn)的， 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(wú)窮 遠(yuǎn)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(wú)論 )()( sGsRf?和 )()(1 sGsGfdo ??或者獨(dú)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缓? m inm in BAAB ?? 和 ?? ?? BAAB 因?yàn)?0))(( ?? ?? jG ， minG 可以解釋為矩陣 )(?jG 最小增益轉(zhuǎn)移，且等價(jià)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(jì) (論文 ) 8 )()()( 1 sNsMsG uuu ???? 所以基于觀測(cè)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(jì) (論文 ) 7 最優(yōu)方法的主要目的是找出一個(gè)統(tǒng)一的解決方案來(lái)解決上述的 ][A 、 ][B 問(wèn)題。在基于模型故障檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，面臨著這樣的問(wèn)題：如何設(shè)計(jì)不確定性很強(qiáng)的模型的故障檢測(cè)系統(tǒng)，并且，同時(shí)考慮在設(shè)計(jì)中包含的以 故障檢測(cè)為前提的檢測(cè)的靈敏度問(wèn)題。并對(duì)倒立擺系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和故障檢測(cè)方法研究的現(xiàn)狀做了說(shuō)明。 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(jià)空間方法濾波器方法觀測(cè)器方法狀態(tài)估計(jì)方法最小二乘法方法濾波器方法參數(shù)估計(jì)方法知識(shí)觀測(cè)器方法定性仿真方法定性觀測(cè)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(shí)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(cè)方法F F T 本論文主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排 在基本檢測(cè)理論的基礎(chǔ)上，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，并達(dá)到課題要求之內(nèi)。 本質(zhì)上講，故障檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)出故障信號(hào)，并對(duì)之綜合處理，最終得出有關(guān)故障的綜合性評(píng)價(jià)的過(guò)程。倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)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(cè)理論最合適的實(shí)驗(yàn)裝南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 置。其主要應(yīng)用于以下幾方面： (1)機(jī)器人 機(jī)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(tái)機(jī)器人問(wèn)世與美國(guó)，到如今也有三十年的歷史，但是機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) —— 機(jī)器人類人類行走控制與檢測(cè)問(wèn)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(cè)，故障靈敏度，極點(diǎn)配置 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(jì) (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 ............