【正文】 (5)運(yùn)用 SimulinkMa tlab/ 軟件對(duì)檢測(cè)模型進(jìn)行仿真。 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 圖 噪聲和正弦信號(hào) 圖 正弦干擾檢測(cè)信號(hào) 從圖 和圖 與圖 和圖 中，發(fā)現(xiàn)基于觀測(cè)器的倒立擺最優(yōu)故障檢測(cè)的模型設(shè)計(jì)是成功的，此設(shè)計(jì)模型能對(duì)噪聲和故障信號(hào)進(jìn)行有效識(shí)別，并作南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 30 出正確檢測(cè)。 階躍干擾 信號(hào)設(shè) 置為 ： 20:Steptime ， 5:ueInitialval ， 1:Finaltime ，0:Sampletime ， Ttf ]5555[)( ? 。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)行一大類仿真非常有用。在Simulink 環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。所以采用極點(diǎn)配置法，得到穩(wěn)定的模型。 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 LCF 的一般模型 加強(qiáng)采用科學(xué)的因式分解， 得到一個(gè)低的 LCF 模型公式 ()。一個(gè)通過(guò)傳送帶 (圖 中第南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 4 部分 )與控制小車運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)輪 (圖 中第 3 部分 )。線性本質(zhì)與多級(jí)倒立擺的本質(zhì)的差別的局限性具有不可調(diào)和性 , 因而需采用更為合理的方法。 )()())()()()(()( 11 sfsGLLCAsIVsdLFELCAsICVsr fdd ?? ??????? () )()()( 1 sGsMsG dud ??? ? 起著關(guān)鍵的作用。為了證明這個(gè)結(jié)論，同 時(shí)考慮公式 I 和公式 II 與公式 ( ba、 )和公式 ( ba、 )。 .2A 狀態(tài)空間 )(sGd 是由 ),( dd FCEA 實(shí)現(xiàn)的 .3A ???????ddFC EIjA ? ，所有的 ?行滿秩。 ))((s u p ??? jGG ?? ? 依據(jù) ?H 范數(shù)定義，采用))(( ?? jG? 作為矩陣 )(?jG 的最大奇異值。 殘差產(chǎn)生器 基于觀測(cè)器的殘差系統(tǒng)是由故障檢測(cè)殘差產(chǎn)生器和殘留評(píng)估階段組成，包括評(píng)價(jià)函數(shù)的閾值。 現(xiàn)在的問(wèn)題是： ][A 、 ][B 哪一個(gè)是最好的或者 ][A 、 ][B 哪一個(gè)更可用于實(shí)際情況。第五章結(jié)論和展望。 本論文的結(jié)構(gòu)安排：第一章緒論。 故障檢測(cè)的方法有很多，包括基于模型解析冗余方法 (主要有故障檢測(cè)濾波器法、等價(jià)空間法、參數(shù)識(shí)別法等 )、基于知識(shí)方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法等。 故障檢測(cè)方法研究的現(xiàn)狀 故障的定義具有外延性，其狹義定義：系統(tǒng)中至少出現(xiàn)一個(gè)具有重要意義的變量或者關(guān)鍵的性能指數(shù)，偏離正常的工作范圍的軌道；其廣義定義：動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)出現(xiàn)失?，F(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)期望的特性無(wú)法顯現(xiàn)。最近一些年，盡管各種類型的新式倒立擺問(wèn)世不斷，但是具有自主研發(fā)并生產(chǎn)能力倒立擺裝置的廠家屈指可數(shù)。 意義及主要應(yīng)用 倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)典型的多變量、非線性、強(qiáng)耦合和快速運(yùn)動(dòng)的高階不穩(wěn)定系統(tǒng)，其種類很多，包括懸掛式倒立擺、平行倒立擺、環(huán)形倒立擺、平面倒立 擺。進(jìn)一步的，在得出開環(huán)系統(tǒng)模型之后，由于系統(tǒng)不穩(wěn)定性，所以采用極點(diǎn)配置方法來(lái)進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。最 后，搭建閉環(huán)仿真模型，確定模型的正確性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)基于觀測(cè)器的倒立擺系統(tǒng)的最優(yōu)故障檢測(cè)的目的。由于倒立擺系統(tǒng)與雙足機(jī)器人，火箭飛行檢測(cè)和各類伺服系統(tǒng)有很大相似性，因南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 此對(duì)倒立擺檢測(cè)機(jī)理的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。目前，國(guó)內(nèi)各大高校基本上都使用由香港固高公司和加拿大 Quanser 公司的產(chǎn)品；還有其它一些生產(chǎn)廠家： (韓國(guó) )奧格斯科技發(fā)展有限公司、保定航 空技術(shù)實(shí)業(yè)有限公司；近期，鄭州微納科技有限公司研制的微納科技直線電機(jī)倒立擺的獲得成功。依據(jù)不同的故障類型的分類原則，可分為加性故障和乘性 故障；可分為主要元件故障、傳感器故障和執(zhí)行器故障；可突變故障和漸變故障等。本論文圍繞基于狀態(tài)觀測(cè)器的最優(yōu)故障檢測(cè)方法展開說(shuō)明。簡(jiǎn)要介紹 課題背景和意義，以及主要應(yīng)用。 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 第二章 最優(yōu)故障檢測(cè)方法 故障靈敏度 在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中，魯棒性問(wèn)題的研究在過(guò)程控制中發(fā)揮重要作用。 優(yōu)化：為了解決上述的問(wèn)題，許多不同的數(shù)學(xué)工具和工程工具已經(jīng)開發(fā)出來(lái)。本節(jié)闡述整個(gè)系統(tǒng)其他部分的構(gòu)建。 引入符號(hào) ))((in fm in ??? jGG ???? () 其中 ))(( ?? jG?表示最小非零奇異值矩陣 )(?jG ，且 ? 的頻率范圍在0))(( ?? ?? jG 。 定理 1 由于系統(tǒng)公式 ()滿足假設(shè) 1A 、 2A 、 3A ，所以 )()( 1 sGsR do?? () 解決該優(yōu)化問(wèn)題 I ????????????????? )()(1)()()()()()()()()()(m i n111sGsGsGsGsGsGsGsMsRsGsMsRfdofdoddofuduRHR () II m i n1m i n11m i n)()(1)()()()()()()()()()(m i nsGsGsGsGsGsGsGsMsRsGsMsRfdofdoddofuduRHR ?????????????? () 此外，標(biāo)準(zhǔn)的解決方案由下式給出 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 ????)( )()( 11sG sGsR dodon () 方程公式 ()解決了公式 ( ba、 )和公式 ( ba、 )的優(yōu)化問(wèn)題 。 依據(jù)定理 1，定理 2 和推論 1，可以有下面的證明。下面是一個(gè)引理，此引理提供了一個(gè)特定的分解，同時(shí)提供了一個(gè)互質(zhì)分解。預(yù)測(cè)檢測(cè)、變結(jié)構(gòu)檢測(cè)和自適應(yīng)檢測(cè)在理論上具有較好的檢測(cè)效果 , 但是由于檢測(cè)方法復(fù)雜、成本高、不易在快速變化的系統(tǒng)上實(shí)時(shí)應(yīng)用 , 所以目前主要應(yīng)用在仿真實(shí)驗(yàn)中。一個(gè)由受瞬時(shí)電流控制的直流電機(jī) (圖 中第 2 部分 )控制的主動(dòng)輪，當(dāng)傳遞一個(gè)轉(zhuǎn)矩比例瞬時(shí)控制電壓su 轉(zhuǎn)動(dòng)輪就進(jìn)行加速的運(yùn)動(dòng)。此公式源自黎曼公式，其用途是為了解釋 LCF 的公式 ()所謂的觀察獲得矩陣 L ，以此來(lái)確定 A LC? 的穩(wěn)定性。 先前有 )()()()()(. tfEtdEtButAxtx fd ???? () )()()()()( tfFtdFtDutCxty fd ???? () 采用極點(diǎn)配置，令 )()( tkxtu ?? 則為 )()()()()(. tfEtdEtxBkAtx fd ???? () )()()()()( tfFtdFtxDkCty fd ???? () 從而可得 )()()())()(()(39。它為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就像你用手和紙來(lái)畫一樣容易。采用 Scope 模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時(shí)，就可觀看到仿真結(jié)果。 正弦干擾信號(hào)設(shè)置為： 0:Bias ， :s e c )/(radF requ enc ey ， 0:Phase ，5:Amplitude ， 0:Sampletime ， Ttf ]5555[)( ? 。檢測(cè)不僅具有正確性，而且對(duì)故障型號(hào)的追蹤也是十分有效的。 控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度的不斷提高必然給故障檢測(cè)問(wèn)題帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，依靠單一的故障檢測(cè)方法已經(jīng)不可能實(shí)現(xiàn)故障的實(shí)時(shí)有效 檢測(cè)，因此，有必要結(jié)合多種故障檢測(cè)和檢測(cè)方法。 (4)確定行之有效的單級(jí)倒立擺檢測(cè)模型。圖 為檢測(cè)正弦干擾信號(hào)的波形。倒立擺故障檢測(cè)模型相關(guān)配套數(shù)據(jù)，如下： ??????????????????1 3 6 7 4 0 0 8 1 4 2 8 6 10000A ，??????????????0003 0 0001 3 4 00000000B ，?????????????1000010000100001C ， ? ?Ts 2520xx10 ????? 噪聲信 號(hào) )(td 為 4*1 矩陣，設(shè)置為 ]0 0 [:Noisepower， :Sampletime ，]23341[:Seed ， Ttd ][)( ? 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 26 干擾信號(hào) )(tf 為 4*1 矩陣，干擾信號(hào)為兩個(gè)：一個(gè)干擾信號(hào)為階躍信號(hào)，另一個(gè)干擾信號(hào)為正弦信號(hào)。在定義完一個(gè)模型后，用戶可以通過(guò) Simulink 的菜單或 Matlab 的命令窗口鍵入命令來(lái)對(duì)它進(jìn)行仿真。 Simulink 簡(jiǎn)介 Simulink 是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。 觀測(cè)器 具體觀測(cè)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(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)反饋控制器 一個(gè)具有干擾補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)反饋控制器如下： ?VdxKu ???? ?? () 其中觀測(cè)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(jì) (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 9 8 13 .5 6 0 2 6 4 .3 4 9 0 1 5 8 .1 1 1 30 .4 5 9 6 0 .2 5 8 6 7 .7 1 6 4LLL???????????????? ]4 8 1 6 0 1 5 0 0 [ ??K ??V 完整系統(tǒng)動(dòng)力表示為 ...1 1 1.2 2 200= 0 + 0 + 0 ( F )0 0 1 0 Fdfx d x f fdfdx A BK BK E x B Ee A L C E e d V L E L fL C e L Le?????? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????? () = + + fy Cx F? () 極點(diǎn)配置 通過(guò)上述的方法，建立起的 故障檢測(cè)模型，是不穩(wěn)定的。 線性模型公式 ()滿足下列可行的條件為： 20FN? ； ? ； 10?? 。一個(gè)通過(guò)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 )。 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 第三章 倒立擺故障檢測(cè)系統(tǒng)建模 倒立擺系統(tǒng) 倒立擺作為 一個(gè)被控對(duì)象具有非線性 , 所以，以線性模型來(lái)研究非線性系統(tǒng)，在本質(zhì)上就是不現(xiàn)實(shí)的 , 而且時(shí)至今日也未曾見到以二級(jí)以上系統(tǒng)通過(guò)線性方法實(shí)現(xiàn)成功檢測(cè)二級(jí)的報(bào)道。 基于狀態(tài)空間的故障檢測(cè)濾波器