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1、本科毕业设计(论文)题目线性系统鲁棒故障检测滤波器的设计学生姓名： 张 强 专 业： 通信工程 指导教师： 周 磊 完成日期： 2013年5月31日 诚 信 承 诺 书本人承诺：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签 名： 日 期： 本论文使用授权说明本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此
2、规定)学生签名： 指导教师签名： 日期： 南通大学毕业设计(论文)摘 要几十年来，鲁棒故障诊断已经成为故障诊断领域中重要的研究方向之一。在考虑分析近年来国内外各领域中故障诊断技术的发展和问题处理的基础上，对于在模型匹配的LTI系统故障检测的鲁棒性问题上，选择LMI(线性矩阵不等式)的方法来进行鲁棒故障诊断的研究计算，并应用于不确定线性时不变系统、时滞、等效变换等系统的故障检测中。在LMI方法的基础上，针对系统的不确定因素，使用线性矩阵不等式的方法来设计最优的鲁棒故障诊断观测器，并从中得出残差产生器，然后通过残差评价公式计算出残差评价值，最后将残差评价值与设计的阈值进行比较来判断控制系统是否有故
3、障发生。通常在故障诊断过程中，H范数用来表征残差在外界信号干扰下的鲁棒性，而H-则用于表征故障发生时检测的灵敏度。通过对残差误差的计算和分析，将多个方面的数值统一转换为H范数，从而将故障诊断的设计问题转变为对H范数的优化问题。本文考虑了具有未知输入和建模误差的不确定LTI系统基于观测器的RFDF设计问题。假设没有建模误差，通过利用最优的残差产生器作为鲁棒故障检测滤波器的参考残差模型，在此基础上，将鲁棒故障诊断滤波器设计转化为H模型匹配问题。同时，通过使用H优化的研究结果，基于线性矩阵不等式(LMI)方法得到了优化问题的解决方案。本文主要结果包括：建立了最佳参考残差模型；设计了鲁棒故障检测滤波器
4、；建立了鲁棒故障诊断滤波器存在的充分条件及其基于LMI参数求解方法；用于故障诊断的自适应阈值计算方法。最后通过具体的数字例子说明所提出方法的有效性。关键词：故障诊断滤波器，鲁棒性，线性矩阵不等式，H优化，模型匹配III南通大学毕业设计(论文)ABSTRACT The field of fault diagnosis for control systems has become an important topic of research in the control community over the last few decades. Recently, special attention
5、 has been paid to the problem of robustness of fault diagnosis methods based on analytical model for uncertain systems. According to the analysis of current developments and problems on fault diagnosis technologies, this thesis investigates the problem of robust fault diagnosis for uncertain systems
6、 based on a linear matrix inequality approach. The main work of this method is to construct an optimal fault detection observer to acquire a residual generator, and then the evaluation value of the residual is calculated by an evaluation function. The observer gain can be obtained by solving a conve
7、x minimization problem with a set of linear matrix inequality constrains. Through comparing the residual evaluation value with a threshold, it is easy to judge whether there is a fault in the control system. In fault detection field, used H norm to describe the robustness of the residual against unk
8、nown uncertainties an disturbances, and the H- index described the best sensitivity of the residual to the fault. The main contributions consisted of the formulation of the multi-objective optimization FD problem as a H norm optimization problem by using the residual error instead of residual. The r
9、obust fault detection filter design problem in uncertain linear time-invariant systems with both unknown inputs and modeling errors is studied. Assuming no modeling error and using an optimal residual generator on the basis of the modeling error LTI system, the robust fault detection filter design p
10、roblem is formulated as a H model-matching problem. Meanwhile, by using the H optimization results, an optimized solution to the problem is obtained by the linear matrix inequality (LMI) method. The main results of this paper include: the development of an optimal reference residual model; robust fa
11、ult detection filter design problem formulation; the derivation of a sufficient condition for the existence of a robust fault detection filer and a construction of it based on the LMI solution parameters; the determination of adaptive threshold for fault Diagnosis. An illustrative design example is
12、used to demonstrate the effectiveness of the method.Keywords: Fault detection filter, Robustness, Linear matrix inequality (LMI), Model matching目 录摘 要IABSTRACTII目 录IV第一章 绪 论11.1本课题研究的意义11.2研究领域现状11.3发展趋势21.4主要工作3第二章 基于LMI的鲁棒故障诊断的理论基础42.1 线性矩阵不等式(LMI)42.1.1 线性矩阵不等式的定义42.1.2 定义线性矩阵不等式的目的42.1.3 线性矩阵不等式
13、的优点52.2 鲁棒故障诊断52.2.1 故障诊断的基本概念52.2.2 故障诊断的任务62.2.3 故障的鲁棒性和自适应性62.3 本章小结7第三章 MATLAB的LMI工具箱基本知识应用83.1 线性矩阵不等式(LMI)问题与求解83.2 LMI工具箱的相关函数使用语法103.3本章小结11第四章 基于LMI方法的不确定LTI系统故障检测124.1 介绍124.2 问题描述124.2.1 残差信号的生成134.2.2 残差估计154.3 设计方案154.4 鲁棒故障检测滤波器的综合174.4.1参考模型174.4.2 RFDF设计的解决方案184.4.3自适应阀值的设计204.5 本章小结
14、21第五章 系统的实现与测试225.1 数值算例225.2 本章小结24结束语25参考文献26致 谢27附 录28第一章 绪 论1.1本课题研究的意义随着人们认识世界的深入，改造世界的拓展，生产和科技水平的不断进步，出现了许多大型的、复杂的系统，其自动化程度也越来越高。这些系统的规模大，造价昂贵，一旦出现故障，其后果往往是灾难性的，因为系统的任何一个故障都可能导致连锁反应，就像蝴蝶效应一般，由于蝴蝶翅膀的振动，最终引发一场海啸。所以，往往要求这类系统要具有极高的安全性和可靠性。然而故障检测与诊断技术则为提高系统的安全性、可靠性、可维护性和有效性开辟了一条新的途径。故障诊断技术作为提高系统的安全
15、性、可靠性的重要手段之一，日益引起了人们的重视，成为控制理论继综合技术和分析之后的又一个主要内容。国内外每年都有大量的文献报道这方面的研究，并且已经取得了许多有价值的成果。近年来，随着鲁棒控制理论的日益成熟5，鲁棒故障诊断理论也在飞速的发展着，但与鲁棒控制不同的是，鲁棒故障诊断不但要求产生的残差对外部的扰动和不确定性有鲁棒性，还要求其满足残差对于故障有灵敏性，这就要求在设计时，其性能指标要同时满足灵敏性和鲁棒性，因此也产生了许多不同的混合方法。通过三十多年来的不断发展，鲁棒故障诊断技术已经得到了广泛深入的研究，已经提出了众多可行之法。故障诊断技术已经在人造卫星、航天飞机、家用电器、无人飞机自动驾驶、大型的电网系统、汽车、船舶发动、输油输气管线、冶金设备、机械控制机床等各个领域得到了广泛的应用，并从中取得了丰富的研究成果，创造了非常可观的经济效益1。1.2
