【正文】 統(tǒng)具有很強代表性，其系統(tǒng)結構與雙足機器人檢測系統(tǒng)，開展最優(yōu)故障檢測設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衡故障靈敏度和模型不確定魯棒性。首先，對最優(yōu)故障檢測方法進行了深入的研究,確定了進行設計的前提條件。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。 關鍵詞：倒立擺，最優(yōu)故障檢測，故障靈敏度，極點配置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目 錄摘 要 IABSTRACT II第一章 緒論 1 課題背景及意義 1 課題背景 1 意義及主要應用 1 倒立擺系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 2 故障檢測方法研究的現(xiàn)狀 3 本論文主要研究內容及章節(jié)安排 4第二章 最優(yōu)故障檢測方法 6 故障靈敏度 6 系統(tǒng)描述 7 過程模型 7 殘差產(chǎn)生器 7 預備知識 9 問題描述 9 兩個定理 10 基于狀態(tài)空間的故障檢測濾波器 13第三章 倒立擺故障檢測系統(tǒng)建模 16 倒立擺系統(tǒng) 16 倒立擺系統(tǒng)組成 16 四個多變量 17 非線性系統(tǒng)模型 17 模擬系統(tǒng) 18 LCF的一般模型 19 模型不定量 20 模擬故障 20 閉環(huán)模型 21 觀測器 21 干擾補償?shù)臓顟B(tài)反饋控制器 21 極點配置 22第四章 仿真 24 簡介 24 簡介 24 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)相關數(shù)據(jù) 25 搭建模型 26 仿真結果 26第五章 總結和展望 31 總結 31 展望 31致謝 33參考文獻 10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)達的科學技術，科學技術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。 盡管人類生活水平越來越高，生活方式越來越便捷，使用的各種設備越來越精細，但是由于各類無法避免的不確定因素的影響，有時設備會出現(xiàn)各種各樣的故障，各種各樣的故障可能導致設備降低或失去預定的功能，更有甚者會導致毀滅性的災難事故，國內和國外曾經(jīng)發(fā)生的各種各樣的空海難、爆裂塌毀、固液氣體泄露等災難性事故，直接造成了大量人員傷亡和各類財產(chǎn)損失。鑒于設備出故障可能帶來的巨大的不可估計的后果，因此保證設備的安全運行，消除事故，是十分迫切的問題。 意義及主要應用 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。其主要應用于以下幾方面：(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，但是機器人的關鍵技術——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。(3)通信衛(wèi)星和偵察衛(wèi)星 通信衛(wèi)星在預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。(4)高空飛行器配套推進系統(tǒng) 為防止高空飛行器配套推進系統(tǒng)單級燃料火箭在發(fā)生變動方向時裂斷而研發(fā)的的柔性多級燃料火箭， 對其航飛姿態(tài)的檢測研究可引入多級倒立擺作為研究對象。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)。倒立擺系統(tǒng)是一個復雜的、高度非線性的、不穩(wěn)定的高階系統(tǒng)，是學習和研究現(xiàn)代檢測理論最合適的實驗裝置。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。各種各類新的方法和技術不斷加入故障檢測的應用的行列中，所以故障檢測的成果愈來愈推陳出新，這樣的推陳出新是的自動化技術逐漸走下圣壇，越來越貼近實際的工程需求，使得自動化更加廣泛的應用得到加強。 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)失常現(xiàn)象，導致系統(tǒng)期望的特性無法顯現(xiàn)。 本質上講，故障檢測是通過檢測出故障信號，并對之綜合處理，最終得出有關故障的綜合性評價的過程。它需要通過對系統(tǒng)各種可測現(xiàn)象和既定技術參數(shù)標準的對比來估計系統(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，預測潛在故障的發(fā)生等。故檢測系統(tǒng)一般由故障檢測、故障隔離、故障辨識和故障調節(jié)等部分組成。 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)驅動方法等。 本論文主要研究內容及章節(jié)安排在基本檢測理論的基礎上，最終實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，并達到課題要求之內。在深入了解倒立擺的基礎上，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，在此基礎上確定實施的檢測方法：建立單級倒立擺的數(shù)學模型，并編寫程序，完成倒立擺的仿真實驗。 保證設備產(chǎn)生最大的冗余度，設定合理的檢維制度，以便在可接受的范圍內，最大限度發(fā)揮設備的潛力，延長設備使用壽命，降低設備