【正文】 (5)運用 SimulinkMa tlab/ 軟件對檢測模型進行仿真。 南通大學(xué)杏林 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 31 第五章 總結(jié)和展望 總結(jié) 本文完成了對倒立擺的故障檢測的建模與仿真研究，主要完成了以下的一些工作： (1)建立數(shù)學(xué)模型，列出單級倒立擺模型的力學(xué)方程。 南通大學(xué)杏林 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 29 圖 噪聲和正弦信號 圖 正弦干擾檢測信號 從圖 和圖 與圖 和圖 中，發(fā)現(xiàn)基于觀測器的倒立擺最優(yōu)故障檢測的模型設(shè)計是成功的，此設(shè)計模型能對噪聲和故障信號進行有效識別，并作南通大學(xué)杏林 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 30 出正確檢測。 南通大學(xué)杏林 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 28 圖 是噪聲和階躍干擾信號的波形。 階躍干擾信號設(shè)置為： 20:Steptime ， 5:ueInitialval ， 1:Finaltime ，0:Sampletime ， Ttf ]5555[)( ? 。 模型分析工具包括線性化和平衡點分析工具、 Matlab 的許多工具及 Matlab的應(yīng)用工具箱。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行一大類仿真非常有用。用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。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，然后直接進行仿真。是目前最好的科學(xué) 計算類軟件。所以采用極點配置法，得到穩(wěn)定的模型。線性化的錯誤會導(dǎo)致模型參數(shù)的不確定。 南通大學(xué)杏林 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 19 LCF 的一般模型 加強采用科學(xué)的因式分解， 得到一個低的 LCF 模型公式 ()。 非線性系統(tǒng)模型 倒立擺的非線性動力模型如下： )s i nc o sc o ss i n)(( . Fbaaraar ???????????? ? () )c o ss i nc o sc o ss i n)(( . ?????????????? Fbaaraa? () 其中， 12012 )s in1()( ?????NN? () ?? 20202202052020420203202032 , NMNaN CaNNCaN FaNNa ???????? ?? 2020220205202042020320205 , NMNaN CaNNCaN FaNFa ??????? 南通大學(xué)杏林 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 18 在實際考慮這個系統(tǒng)中有兩類的摩擦力可能會對系統(tǒng)的動力產(chǎn)生不利的影響。一個通過傳送帶 (圖 中第南通大學(xué)杏林 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 4 部分 )與控制小車運動的傳動輪 (圖 中第 3 部分 )。 倒立擺系統(tǒng)組成 倒立擺是經(jīng)典控制試驗系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于控制和工程理論的教研中。線性本質(zhì)與多級倒立擺的本質(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。 ?????? ?? BDQDIBCYQYCAYYA TTT )(~~ 11 CQBDAA T 1~ ??? () 根據(jù)引理 1 作內(nèi)外共同分解 ,得到 ???????? ?? )()()()( 11 sMsNsMsG dddd () 由此設(shè)定 LLCAsICsMsM du 12/12/1 )()()( ????? ????? IsR ?)( () 給定 1)()()()( ?????? sNsGsMsR ddu () 由定理 定理 2，得到如下定理。 )()())()()()(()( 11 sfsGLLCAsIVsdLFELCAsICVsr fdd ?? ??????? () )()()( 1 sGsMsG dud ??? ? 起著關(guān)鍵的作用。同時假設(shè)， )())(( sGssG dof?不為常數(shù)矩陣 。為了證明這個結(jié)論，同時考慮公式 I 和公式 II 與公式 ( ba、 )和公式 ( ba、 )。而且， ?????? ??,1/ )(11 JsGJdo m in,1m in/ )(11???? ?? JsGJdo () 定理 1，定理 2 和推論 1 表明，優(yōu)化公式 ( ba、 )或者公式 ( ba、 )是等效的，在這個意義上，它們具有相同的最優(yōu)解。 .2A 狀態(tài)空間 )(sGd 是由 ),( dd FCEA 實現(xiàn)的 .3A ???????ddFC EIjA ? ，所有的 ?行滿秩。 同時 ))()()()()()((m i n/ ??????? ?? ? sGsMsRsGsMsRJ fuduRHR () ))()()()()()((m i nm i nm i n, sGsMsRsGsMsRJ fuduRHR????? ?? ? () 有關(guān)公式 ( ba、 )和公式 ( ba、 )之間優(yōu)化關(guān)系的問題，可追溯至 Lou等人的開創(chuàng)性工作。 ))((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。 其 2H 的殘差向量 )(sr 范數(shù)作為殘差的評價函數(shù)在任意時域中都可以實現(xiàn) 2/102))()()(( ????? tdtrtrrr Te () 或在任意頻域中也可實現(xiàn) 2/12 ))()(21( ???? djrjrrr Te ???? ??? () 由于評估在整個時間域或頻域通常是不現(xiàn)實的，經(jīng)常性的引入評價函數(shù)，從而導(dǎo)致 122/121,2,))()()(( tttdtrtrrr ttTe ???? ? ?? () 122/121,2,))()(2 1( ?????? ???????? ?? djrjrrr Te () 一旦選定評價函數(shù)，就能夠確定閾值 thJ 。 殘差產(chǎn)生器 基于觀測器的殘差系統(tǒng)是由故障檢測殘差產(chǎn)生器和殘留評估階段組成，包括評價函數(shù)的閾值。 系統(tǒng)描述 過程模型 過程模型可描述如下： )()()()()()()( sfsGsdsGsusGsy fdu ??? () 其中 )(sGu ， )(sGd ， )(sGf 為已知的傳遞函數(shù)矩陣，輸入向量 pRsu ?)( ，故障向量 qRsf ?)( ，輸入向量 kRsd ?)( 和輸出向量 mRsy ?)( 同為檢測量。 現(xiàn)在的問題是： ][A 、 ][B 哪一個是最好的或者 ][A 、 ][B 哪一個更可用于實際情況?；谀Ｐ偷墓收蠙z測系統(tǒng)的研究，已經(jīng)在過去幾年中受到重視。第五章結(jié)論和展望。從 最優(yōu)故障檢 測方法和故障靈敏度和方程及預(yù)備問題，再到標(biāo)準(zhǔn)符號，進而闡述了故障檢測系統(tǒng)的設(shè)計問題和故障檢測系統(tǒng)的分析和方程的背景，以及模型的解決方案，進一步發(fā)展為一般的解決方案。 本論文的結(jié)構(gòu)安排：第一章緒論。在深入了解倒立擺的基礎(chǔ)上，熟悉單級倒立擺檢測的基本原理，了解單級倒 立擺檢測的發(fā)展趨勢，熟悉線性系統(tǒng)的基本理論和非線性系統(tǒng)線性化的基本方法，在此基礎(chǔ)上確定實施的檢測方法：建立單級倒立擺的數(shù)學(xué)模型，并編寫 Matlab 程序，完成倒立擺的仿真實驗。 故障檢測的方法有很多，包括基于模型解析冗余方法 (主要有故障檢測濾波器法、等價 空間法、參數(shù)識別法等 )、基于知識方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法等。它需要通過對系統(tǒng)各種可測現(xiàn)象和既定技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的對比來估計系統(tǒng)運行是否處于 正常狀態(tài)，進一步判斷產(chǎn)生故障的組件及其原因，預(yù)測潛在故障的發(fā)生等。 故障檢測方法研究的現(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)期望的特性無法顯現(xiàn)。迄今人們對倒立擺的研究已經(jīng)非常深入，我國已成功地 實現(xiàn)了四級倒立擺的研究。最近一些年，盡管各種類型的新式倒立擺問世不斷，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)。 (3)通信衛(wèi)星和偵察衛(wèi)星 通信衛(wèi)星在預(yù)先計算好的軌道和確定的位置上運行的同時，要保持其穩(wěn)定的姿態(tài)，使衛(wèi)星天線一直指向地球，使它的太陽能電池板一直跟蹤太陽。 意義及主要應(yīng)用 倒立擺系統(tǒng)是一個典型的多變量、非線性、強耦合和快速運動的高階不穩(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。 盡管人類生活水平越來越高，生活方式越來越便捷，使用的各種設(shè)備越來越精細(xì)，但是由于各類無法避免的不確定因素的影響，有時設(shè)備會出現(xiàn)各種各樣的故障，各種各樣的故障可能導(dǎo)致設(shè)備降低或失去預(yù)定的功能，更有甚者會導(dǎo)致毀滅性的災(zāi)難事故，國內(nèi)和國外曾經(jīng)發(fā)生的各種各樣的空海難、爆裂塌毀、固液氣體 泄露等災(zāi)難性事故，直接造成了大量人員傷亡和各類財產(chǎn)損失。進一步的，在得出開環(huán)系統(tǒng)模型之后，由于系統(tǒng)不穩(wěn)定性，所以采用極點配置方法來進行閉環(huán)反饋控 制。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2020 年 06 月 題目 ： 基于觀測器的倒立擺系統(tǒng)最優(yōu)故障 檢測設(shè)計 作 者： 專 業(yè)： 班 級： 指導(dǎo)教師： 南通大學(xué)杏林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) I 摘 要 倒立擺系統(tǒng)具有很強代表性，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與雙足機器人檢測系統(tǒng)，火箭飛行檢測系統(tǒng)和各類伺服系統(tǒng)類似 .以倒立擺為對象，開展最優(yōu)故障檢測設(shè)計研究具有重要意義 . 所謂最優(yōu)故障檢測，即尋找一個最佳方法來權(quán)衡故障靈敏度和模型不確定魯棒性。最后，搭建閉環(huán)仿真模型，確定模型的正確性和準(zhǔn)確性，實現(xiàn)基于觀測器的倒立擺系統(tǒng)的最優(yōu)故障檢測的目的。事故造成的后果觸目驚心，從經(jīng)濟物質(zhì)到自然環(huán)境產(chǎn)生了不可估計的社會影響。由于倒立擺系統(tǒng)與雙足機器人，火箭飛行檢測和各類伺服系統(tǒng)有很大相似性，因南通大學(xué)杏林 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 此對倒立擺檢測機理的研究具有重要的理論和實踐意義。 太空偵察衛(wèi)星自帶的攝像機的微動量的振幅會對攝像產(chǎn)生的圖像質(zhì)量造成巨大的影響，為了得到高質(zhì)量的攝像影像，必定要求自動地維持有穩(wěn)定的伺服，使振幅減少到最小。目前，國內(nèi)各大高?；旧隙际褂糜?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 )奧格斯科技發(fā)展有限公司、保定航空技術(shù)實業(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倒立擺的獲得成功。 為了提高自動控制系統(tǒng)的可靠安全性和有效工作性等性能指標(biāo)，近許多年來故障檢測技術(shù)取得前無古人的發(fā)展。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?？刂葡到y(tǒng)的故障檢測是通過對系統(tǒng)的各種特征信號的提取和分離，運用解析、經(jīng)驗和觀測器等手段來檢測系統(tǒng)的故障，并確定故障所產(chǎn)生的部位，使得人們可以根據(jù)報警信息解決故障，避免失效的發(fā)生。本論文圍繞基于狀態(tài)觀測器的最優(yōu)故障檢測方法展開說明。 為此，本課題擬開展針對倒立擺系統(tǒng)的故障檢測方法研究，為基于觀測器的倒立擺系統(tǒng)最優(yōu)故障檢測方法應(yīng)用到復(fù)雜非線性系統(tǒng)如航天器等奠定基礎(chǔ) .能及時地、準(zhǔn)確地對各種故障狀態(tài)做出檢測，以達(dá)到預(yù)防或消除故障的目的，對設(shè)備的自動運行進行策略性評估，提高設(shè)備自動運行的穩(wěn)定性 和安全性，以此把由于故障而造成的損失降低到最低水平，從而提高設(shè)備自動運行的效率。簡要介紹 課題背景和意義，以及主要應(yīng)用。 第三章倒立擺故障檢測建模，針對倒立擺故障檢測模型的建立，做了一系列的工作。 南通大學(xué)杏林 學(xué)院