存在未知时延和Markov 丢包的网络控制系统故障检测与优化

将网络控制系统(NCSs) 的未知短时延处理成范数有界不确定性, 结合Markov 丢包影响将NCSs 建模为不确定Markov 跳变系统, 设计模态依赖的鲁棒故障检测滤波器. 为了提高检测系统性能, 采用后置滤波器对残差信号进行时域优化, 并以Moore-Penrose 逆形式给出其最优解. 同时, 设计自适应检测阈值, 并给出时变参数阵的迭代方法,降低了计算量. 数值仿真表明, 所提出的方法能够有效地抑制时延和丢包影响, 提高故障检测系统的检测能力和检测速度.

     

基于输出时滞方法的非均匀采样数据系统传感器故障检测(英文)

研究一般非均匀采样数据系统鲁棒传感器故障检测设计问题.首先,基于输出时滞方法将非均匀采样数据系统转换成具有时变时滞输出的连续系统;然后,选择故障检测滤波器作为残差产生器,并将故障检测设计问题描述成一个多目标优化问题,即连续时间过程噪声和离散时间测量噪声对残差信号的H∞范数小于一个给定值,同时传感器故障对残差信号的l2增益大于一个给定值,基于输入输出方法以矩阵不等式的形式给出该多目标优化问题有解的充分条件;进一步的,提出一个迭代算法来权衡噪声鲁棒性与故障灵敏度,并将矩阵不等式转换成可解的线性矩阵不等式.最后,对某型飞控系统的仿真实验验证了所提方法的有效性.     

一种鲁棒故障检测与反馈控制的最优集成设计方法

研究线性不确定系统的反馈控制器与鲁棒故障检测滤波器集成设计问题.基于新提出 的性能指标函数,将鲁棒故障检测滤波器设计问题归结为最优化问题,通过求解Riccati方程可 得到鲁棒故障检测滤波器设计问题的最优解.在共用同一状态观测器的情况下,将反馈控制器 和鲁棒故障检测滤波器的集成设计问题归结为两目标优化问题,解决了同时满足闭环控制系统 设计要求和故障诊断系统鲁棒性能的最优集成设计问题.简例验证了提出算法的有效性.     

基于δ算子的格形故障检测滤波器

本文基于δ算子构造了Hilbert空间中的信号向量,推导了系统的输入输出关系,得出 了前向和后向预测误差向量的表达式.借助格形滤波器理论导出了故障残差序列的递归算法, 从而设计出故障检测滤波器.将该滤波器与自适应噪声抵消技术相结合,实现了对被噪声污 染信号的故障实时在线检测.最后,仿真实验验证了这种故障检测方法的有效性.     

变采样周期和多包传输的非线性NCS故障检测

研究具有多包传输、时变采样周期和未知干扰输入的Lipschitz非线性网络控制系统的故障检测问题;利用主动变采样周期的方法将多包传输的非线性连续网络控制系统建模为离散切换系统,设计基于观测器的鲁棒故障检测滤波器构造残差产生系统,运用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式(LMI)技术,给出了使闭环系统渐近稳定的充分条件及故障检测滤波器的增益矩阵;最后运用仿真算例说明了故障检测滤波器的残差产生系统对故障具有敏感性,同时对外部扰动输入具有鲁棒性。     

基于色噪声背景下线性滤波器组检测性能的研究

随着5G新空口信号处理技术的广泛应用,为了提高大规模组网中基站(天线)滤波器检测系统的检测性能,本文提出了一种基于色噪声背景下对信号进行检测判决的线性滤波器组(LFB)检测系统,即在传统匹配滤波器检测系统中加入白化滤波器级联组构成线性滤波器组检测系统,首先对二元确知信号检测判决系统中相干相移键控系统(CPSK),相干频移键控系统(CFSK),和相干启闭键控系统(COOK)的检测性能进行分析。其次,在此基础上推广到对多元(M元信号检测)确知信号检测性能进行分析。最后,经过仿真,根据最大输出信噪比准则,采用白化滤波器组将色噪声滤除有色部分后通过检测判决系统,获取在色噪声背景下最佳的线性滤波器组(Linear Filter Bank,LFB)(相关接收机)的检测性能。     

故障诊断系统的H_2优化设计

研究了一类受随机扰动影响的线性时不变系统的故障诊断滤波器(Faultdiagnosisfilter,简称FDF)设计问题。分别应用从扰动、故障到残差的传递函数的H2范数作为残差系统对扰动的鲁棒性和对故障信号的灵敏度度量指标,以最小化基于鲁棒性/灵敏度的性能指标函数为目标,将FDF设计问题归结为H2优化问题。推导并证明了问题可解的充分条件,给出了一种FDF设计的迭代线性矩阵不等式(IterativeLinearMatrixInequality,ILMI)算法,并进一步讨论了残差的评价问题。算例验证了该算法的有放性。     

故障诊断系统的H2优化设计

研究了一类受随机扰动影响的线性时不变系统的故障诊断滤波器(Faultt diagnosis filter,简称FDF)设计问题.分别应用从扰动、故障到残差的传递函数的H2范数作为残差系统对扰动的鲁棒性和对故障信号的灵敏度度量指标,以最小化基于鲁棒性/灵敏度的性能指标函数为目标,将FDF设计问题归结为H2优化问题,推导并证明了问题可解的充分条件,给出了一种FDF设计的迭代线性矩阵不等式(Iterative Linear Matrix Inequality,ILMI)算法,并进一步讨论了残差的评价问题.算例验证了该算法的有效性.     

DPSO算法在故障诊断测试集优化中的应用

针对复杂系统的实时故障诊断问题,引入一种多目标离散粒子群优化(DPSO)算法对测试集进行优化,以实现有效的故障监测与隔离.在建立系统相关性模型的基础上,针对系统实时监视和实时诊断中故障检测数、故障隔离数、测试个数和测试成本等指标,分别设计了优化故障检测测试集和故障诊断测试集的多目标适应度函数.应用实例表明,该算法能快速地对测试集进行优化,提高实时诊断的效率,并可作为改进系统测试性设计中的一种测试综合评估方法.     

高超声速飞行器间歇故障改进自适应容错控制

提出一种外部扰动/内部白噪声复合干扰和间歇性故障下的再入段变结构高超声速飞行器故障诊断和容错控制方法.首先给出再入姿态系统模型以及间歇故障模型.然后基于所研究的随机固定幅值故障模式对角速率系统中的周期性外部扰动进行预处理,根据处理结果,通过引入滑动时间窗设计一种残差信号.由于系统中存在白噪声,根据噪声分布特性并基于改进的残差信号提出两个假设检验,进而设计检测故障的两个阈值区间以检测间歇故障的发生和消失时间.与传统残差设计方法相比,改进的残差信号对于故障发生和消失时间的检测更准确.基于扩张系统设计一个自适应估计律用于估计故障,并使得估计误差满足$L_2$-增益干扰抑制.最后提出一个自适应容错控制算法使得系统的姿态角输出能够跟踪给定的参考信号.利用Lyapunov函数证明了系统的稳定性, Matlab仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

基于混杂系统方法的一类采样数据系统鲁棒故障检测

针对具有连续时间过程噪声和离散时间测量噪声的采样数据系统, 提出了一种新的鲁棒故障检测直接设计方法. 首先利用具有有限跳变的线性系统作为残差产生器, 采样数据系统的鲁棒故障检测设计问题被描述成采样数据滤波问题, 然后给出有限跳变线性系统有界实引理的线性矩阵不等式(LMI)表达形式, 基于此, 推导出采样数据系统鲁棒故障检测滤波器的存在条件及设计参数, 并将所提方法推广到具有结构不确定性的采样数据系统上. 所设计的滤波器能够保证残差与故障之间误差最小, 并对过程噪声、测量噪声、结构不确定性等因素鲁棒. 最后, 通过数值仿真对所提方法的可行性进行了验证.     

异步感应电机转速自适应控制系统

为解决传统电机转速控制系统存在的噪声控制不理想、电流电压采样精度低、故障检测不准确等问题,设计了异步感应电机转速自适应控制系统。选用DSP-LF2407为系统硬件主控制芯片,通过对功率主电路和功率驱动电路进行优化,加强硬件部分的噪声控制;接入高精度采样电阻,对电压信号进行RC滤波,依据FAULT管脚电平在系统故障时会被拉低的特点,提高系统软件电流电压采集和故障检测的精度。通过对硬件和软件部分进行优化,实现异步感应电机转速自适应控制系统的设计。实验结果表明,该系统噪声控制效果好、电流电压采用精度高、故障检测精度高。     

一种基于最优未知输入观测器的故障诊断方法

针对含有未知输入干扰和噪音的不确定动态系统,使用全阶未知输入观测器(Unknown input observer, UIO)来消除干扰项,实现状态估计, 结合Kalman滤波器算法来求解状态反馈矩阵,以使得输出残差信号的协方差最小,从而增强系统对噪声的鲁棒性,实现了 一种基于最优未知输入观测器的残差产生器.采用极大似然比(Generalized likelihood ratio, GLR)的方法对残差信号进行评估,通过设定的阈值来提高诊断率. 最后以风力发电机组传动系统出现加性传感器故障和乘性传感器故障为例, 进行了残差信号的仿真,仿真结果说明了该方法的有效性.     

Robust Unknown Input Observer Design for Linear Uncertain Time Delay Systems with Application to Fault Detection

In this paper, a novel approach is proposed to design a robust fault detection observer for uncertain linear time delay systems. The system is composed of both norm‐bounded uncertainties and exogenous signals (noise, disturbance, and fault) which are considered to be unknown. The main contribution of this paper is to present unknown input observer (UIO)‐based fault detection system which shows the maximum sensitivity to fault signals and the minimum sensitivity to other signals. Since the system contains uncertainty terms, an H_∞ model‐matching approach is used in design procedure. The reference residual signal generator system is designed so that the fault signal has maximum sensitivity while the exogenous signals have minimum sensitivity on the residual signal. Then, the fault detection system is designed by minimizing the estimation error between the reference residual signal and the UIO residual signal in the sense of H_∞ norm. A sufficient condition for the existence of such a filter is exploited in terms of certain linear matrix inequalities (LMIs). Application of the proposed method in a numerical example and an engineering process are simulated to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm. Simulation results show the validity of the proposed approach to detect the occurrence of faults in the presence of modeling errors, disturbances, and noise.     

具有随机马尔可夫时延的网络控制系统H∞故障检测

针对存在随机时延的网络环境,研究了一类网络控制系统的H∞故障检测滤波器设计问题．考虑了可 由马尔可夫过程描述的随机时延,网络控制系统被建模成离散时间有限状态的马尔可夫跳变线性系统．基于此类模 型,构造了系统的残差发生器,相应的故障检测问题转化为H∞滤波问题．通过选择合适的滤波器增益,使得残差和 故障之间的误差尽可能地小,保证了残差对于未知输入的鲁棒性．以线性矩阵不等式的形式给出了故障检测滤波器 存在的充分条件,并运用锥补线性化方法完成了滤波器设计过程．数值算例表明,上述网络控制系统故障检测滤波 器不仅对故障敏感,同时对外界扰动具有鲁棒性．     

An LMI approach to design robust fault detection filter for uncertain LTI systems

In this paper, the robust fault detection filter design problem for uncertain linear time-invariant (LTI) systems with both unknown inputs and modelling errors is studied. The basic idea of our study is to use an optimal residual generator (assuming no modelling errors) as the reference residual model of the robust fault detection filter design for uncertain LTI systems with modelling errors and, based on it, to formulate the robust fault detection filter design as an H_∞ model-matching problem. By using some recent results of H_∞ optimization, a solution of the optimization problem is then presented via a linear matrix inequality (LMI) formulation. The main results include the development of an optimal reference residual model, the formulation of robust fault detection filter design problem, the derivation of a sufficient condition for the existence of a robust fault detection filter and a construction of it based on the LMI solution parameters, the determination of adaptive threshold for fault detection. An illustrative design example is employed to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.     

Mixed constrained image filter design using particle swarm optimization

This article describes an evolutionary image filter design for noise reduction using particle swarm optimization (PSO), where mixed constraints on the circuit complexity, power, and signal delay are optimized. First, the evaluated values of correctness, complexity, power, and signal delay are introduced to the fitness function. Then PSO autonomously synthesizes a filter. To verify the validity of our method, an image filter for noise reduction was synthesized. The performance of the resultant filter by PSO was similar to that of a genetic algorithm (GA), but the running time of PSO is 10% shorter than that of GA.     

基于奇异值分解及形态滤波的滚动轴承故障特征提取方法*

针对滚动轴承振动信号故障特征信息往往被强背景噪声淹没的问题,提出一种基于奇异值分解和形态滤波的振动信号故障特征提取方法。该方法利用信号时间序列重构的吸引子轨迹矩阵奇异值分布特征与信号自身特征的关系,选择轨迹矩阵中主要反映冲击信息明显的奇异值进行信号重构的方法来滤除信号中的平滑信号和部分噪声,获取带噪声的冲击信号;然后利用形态滤波能有效滤除脉冲干扰噪声的特点,反其道而行之,从而提取信号的冲击故障特征的方法,并将该方法应用于轴承的振动信号的故障特征提取。仿真与实例表明,该方法能有效提取强背景信号及噪声中的弱冲击特征信号,是一种有效的弱信号特征提取方法。     

基于CPCI总线的航天器通信信号设备故障检测系统设计

针对当前航天器通信信号设备故障检测系统受到噪声影响,导致系统通信设备故障信号检测精准度低,检测时间长的问题,设计基于CPCI总线的航天器通信信号设备故障检测系统;CPCI故障模拟模块利用RS232串行线控制注入机,采用故障注入器执行故障注入CPCI总线,接收控制系统参数和指令,使用时钟分配芯片传输时钟信号,通过CPCI检测板卡模块,配合FPGA实现接口控制,完成系统硬件结构设计,利用任务间相互依赖关系,实现任务间相互检测,通过终端网工作站定期发送多路通信网相关信息,返回无疵点检测结果,采用二次相关算法,提取多通道通信故障信号详细信息,准确估算通信信号时延,排除多通道网络噪声影响造成的通信故障,完成系统软件部分设计;实验结果表明,基于CPCI总线的故障检测系统的故障信号检测时间仅为1.8 s,故障信号幅度最大为28 dB,最小为1 dB,与实际变化幅度一致,通信设备故障信号检测精准度较高,能够有效缩短通信设备故障信号检测时间。