一种用于线性参数变化系统的自适应故障检测与控制方法

本发明涉及自动控制理论和故障检测与诊断，特别是一种用于线性参数变化系统的自适应故障检测与控制方法。

背景技术：

1、线性参数变化系统（linear parameter-varying system，lpv）在工业、航空和汽车等多个领域中有广泛的应用。这类系统的主要特点是其动态模型的参数会随环境或操作条件变化而变化。

2、传统的故障检测和控制方法往往假设系统参数固定或变化缓慢，因此在快速变化的环境中可能无法有效应对参数的动态变化，导致故障检测和响应措施的延迟或不准确。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种用于线性参数变化系统的自适应故障检测与控制方法，以解决背景技术中的问题。

2、为达上述目的，提供一种用于线性参数变化系统的自适应故障检测与控制方法，其包括以下步骤：

3、(1)建立线性参数变化系统的状态空间模型；

4、(2)基于所述状态空间模型，设计自适应观测器；

5、(3)将线性参数变化系统的输入变量和输出变量输入到所述自适应观测器中，利用所述自适应观测器估计所述线性参数变化系统的状态变量和输出变量，将估计的输出变量作为输出预测值，将所述输出预测值与通过传感器获得的实际输出测量值进行比较，生成残差信号；

6、(4)对所述残差信号的统计特性进行评估，将评估获得的残差信号的统计特性与自适应阈值进行比较，实现对所述线性参数变化系统的故障实时检测；

7、(5)当检测到所述线性参数变化系统发生故障时，启动故障诊断程序，对故障类型进行辨识和定位，获得故障诊断结果；

8、(6)根据所述故障诊断结果，重构状态反馈控制器；调整所述状态反馈控制器的参数，使所述状态反馈控制器适应故障情况下的系统动态特性；采用自适应控制律，生成控制输入，实现对发生故障的线性参数变化系统的容错控制。

9、在一些可能的实施方式中，在步骤(1)中，建立线性参数变化系统的状态空间模型包括以下子步骤：

10、(1.1)确定所述线性参数变化系统的状态变量、输入变量和输出变量；

11、(1.2)引入反映所述线性参数变化系统参数变化的调度参数；

12、(1.3)建立状态空间方程，表示状态变量、输入变量、输出变量以及调度参数之间的动态关系。

13、在一些可能的实施方式中，在步骤(2)中，设计自适应观测器包括以下子步骤：

14、(2.1)基于状态空间模型，设计自适应观测器的结构，包括状态估计部分和输出估计部分；

15、(2.2)引入调度参数估计算法，实现对调度参数的实时估计；

16、(2.3)设计自适应观测器增益调节算法，根据残差信号的大小动态调整观测器增益，当残差信号大于预设的上阈值时，增大自适应观测器增益以提高估计精度；当残差信号小于预设的下阈值时，减小自适应观测器增益以提高收敛速度。

17、在一些可能的实施方式中，在步骤(4)中，对残差信号的统计特性进行评估，具体包括计算残差信号的均值、方差和高阶矩，将所述残差信号的统计特性与对应的自适应阈值进行比较，判断所述线性参数变化系统是否发生故障。

18、在一些可能的实施方式中，在步骤(4)中，将所述残差信号的统计特性与对应的自适应阈值进行比较，判断所述线性参数变化系统是否发生故障，具体包括：

19、将残差信号的均值与预设的均值阈值比较；

20、将残差信号的方差与预设的方差阈值比较；

21、将残差信号的高阶矩与预设的高阶矩阈值比较；

22、当残差信号的均值超过均值阈值，或者，残差信号的方差超过方差阈值时，或者，当高阶矩超过预设的高阶矩阈值时，确定所述线性参数变化系统发生故障。

23、在一些可能的实施方式中，在步骤(5)中，当检测到所述线性参数变化系统发生故障时，启动故障诊断程序，对故障类型进行辨识和定位，获得故障诊断结果，包括以下子步骤：

24、(5.1)离线建立所述线性参数变化系统的多个故障模式，每个故障模式对应一种故障类型，所述故障类型包括传感器故障、执行器故障和系统部件故障；

25、(5.2)在线匹配残差信号与每个故障模式，计算残差信号与每个故障模式的相似度，选择相似度最高的故障模式作为诊断结果；

26、(5.3)输出故障诊断结果，所述故障诊断结果包括故障类型和故障发生的位置，所述故障类型根据匹配的故障模式确定，所述故障位置根据所述故障模式中对应的状态变量或输出变量确定。

27、在一些可能的实施方式中，在步骤(6)中，根据所述故障诊断结果，重构状态反馈控制器，具体包括以下子步骤：

28、(6.1)根据故障诊断结果，确定故障类型和故障位置；

29、(6.2)如果故障类型为传感器故障，则在所述状态反馈控制器中去除故障传感器对应的反馈通道；

30、(6.3)如果故障类型为执行器故障，则在所述状态反馈控制器中增加发生故障的执行器对应的补偿项，补偿执行器故障引起的控制效果偏差；

31、(6.4)如果故障类型为系统部件故障，则根据所述故障位置，调整所述状态反馈控制器中对应状态变量的反馈增益。

32、在一些可能的实施方式中，在步骤(6)中，调整所述状态反馈控制器的参数，使所述状态反馈控制器适应故障情况下的系统动态特性，具体包括：

33、根据线性参数变化系统的实时状态和故障情况，动态调整补偿项系数，使状态反馈控制器适应故障情况下的系统动态特性。

34、在一些可能的实施方式中，在步骤(6)中，采用自适应控制律，生成控制输入，实现对发生故障的线性参数变化系统的容错控制，具体包括：

35、采用自适应控制律生成控制输入，通过实时调整控制器参数，使控制输入适应故障情况下所述线性参数变化系统的参数的变化，抑制故障对所述线性参数变化系统的性能的影响，实现对发生故障的线性参数变化系统的容错控制。

36、在一些可能的实施方式中，

37、所述线性参数变化系统包括：航空发动机控制系统、车辆悬架控制系统、工业过程控制系统或电力系统；其中，所述线性参数变化系统的参数随工作状态或环境条件变化而变化；

38、在步骤(3)中，所述传感器为温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器或加速度传感器，用于测量所述线性参数变化系统的输出变量；

39、在步骤(6)中，所述系统动态特性包括系统的稳定性、响应速度、控制精度或鲁棒性，表征所述线性参数变化系统在故障情况下的运行状态和性能。

40、上述技术方案具有如下有益效果：

41、通过设计自适应观测器并生成残差信号，该方法能够实时监测和检测系统状态。与传统故障检测方法相比，这种方法可以更快地响应系统内的变化和潜在故障，从而降低系统因故障而导致的性能下降或停机时间。

42、自适应观测器能够根据输入和输出的实时数据调整其参数，它可以适应系统参数的变化，从而保持故障检测的高灵敏度和准确性。这对于那些参数随时间变化或在不同操作条件下变化的系统尤其重要。

43、该方法不仅可以检测到系统中的故障，还可以启动故障诊断程序来确定故障的类型和位置。这一点对于维修和保养工作至关重要，因为它可以减少不必要的维护成本和提高维修的效率。

44、在检测到故障并诊断出故障类型后，该方法支持重构状态反馈控制器，使其适应故障后的系统动态。这种自适应控制策略可以优化控制器的响应，确保系统即便在受损状态下仍能有效运行。

45、通过调整控制器参数并实施自适应控制律，该系统能够在故障发生后维持操作并尽量减少性能退化。这种容错控制能力对于关键应用和高可用性系统尤为重要，可以提高系统的整体稳定性和可靠性。