一種適用于仿射非線性系統(tǒng)的故障可診斷性分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于仿射非線性系統(tǒng)的故障可診斷性分析方法，通過數(shù)學(xué)變換可將考慮摩擦等非線性因素的閉環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一類仿射非線性系統(tǒng)。針對該類系統(tǒng)，基于微分幾何理論，給出了故障可診斷性（包括可檢測性和可隔離性）的定義和判據(jù)；分別針對故障可檢測性和可隔離性設(shè)計了兩種量化指標(biāo)；根據(jù)上述指標(biāo)，通過控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和輸出/輸出量的分布情況，實現(xiàn)了非線性閉環(huán)系統(tǒng)的故障可診斷性分析。本發(fā)明在不依賴任何故障診斷算法的情況下，能夠?qū)⒎蔷€性控制系統(tǒng)的故障診斷提前到設(shè)計階段，并為故障診斷算法的設(shè)計提供理論依據(jù)。
【專利說明】一種適用于仿射非線性系統(tǒng)的故障可診斷性分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于仿射非線性系統(tǒng)的故障可診斷性分析方法，屬于衛(wèi)星控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]控制系統(tǒng)是實現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)、軌道控制及各部件驅(qū)動(如太陽翼、星載天線等)的重要子系統(tǒng)，由于包含的運動部件多且工作模式復(fù)雜，使得其在軌故障率高。據(jù)統(tǒng)計表明:從1975到2007的32年中，272顆衛(wèi)星發(fā)生的故障中控制系統(tǒng)占到了其中的37%?？紤]到控制系統(tǒng)承擔(dān)任務(wù)的重要性，一旦其發(fā)生故障，將產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果。為保證控制系統(tǒng)的故障影響降至最低，需要在設(shè)計階段就考慮衛(wèi)星的故障診斷能力?？刂葡到y(tǒng)故障診斷能力的高低取決于可診斷性分析和診斷算法設(shè)計兩方面，而前者又是后者的前提和基礎(chǔ)。因為對于具有不可檢測性的故障，無論設(shè)計何種診斷算法都不能實現(xiàn)故障的檢測和隔離。然而，目前對于衛(wèi)星故障診斷領(lǐng)域的研究多集中在診斷算法方面，對于可診斷性分析方面的研究較少。
[0003]在現(xiàn)有控制系統(tǒng)故障可診斷性分析的技術(shù)中，主要包括以下4種:通過輸入/輸出信息與故障之間關(guān)系構(gòu)造關(guān)聯(lián)矩陣；根據(jù)故障到輸出之間傳遞函數(shù)、狀態(tài)變量擴維后的新系統(tǒng)能觀測性以及基于輸出和輸入信息構(gòu)造的殘差矢量的存在性等實現(xiàn)對系統(tǒng)故障能否可檢測和可隔離進行分析。但是，上述技術(shù)存在以下問題:I)研究對象都是線性系統(tǒng)。衛(wèi)星控制系統(tǒng)是執(zhí)行機構(gòu)、敏感器、控制器等組成的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，對其進行線性化處理將忽略非線性因素的影響。特別是，由于非線性摩擦造成的執(zhí)行機構(gòu)(如動量輪、SADA等)故障將無法被研究，而該故障又是控制系統(tǒng)的一個典型故障模式。因此，要對該類非線性因素引起的系統(tǒng)故障進行可診斷性分析，必須考慮各種非線性因素對系統(tǒng)進行精細化建模；2)分析結(jié)果是定性的，即只能解釋故障能否被診斷，而不能具體解釋故障能夠被診斷的難易程度。定量分析結(jié)果可以找出系統(tǒng)故障的薄弱環(huán)節(jié)，并以此指導(dǎo)診斷算法的設(shè)計，這是定性分析結(jié)果所無法涉及的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種適用于仿射非線性系統(tǒng)的故障可診斷性分析方法，對摩擦等非線性因素精細化建模的控制系統(tǒng)進行故障可診斷性的量化分析，并以此指導(dǎo)故障診斷算法的設(shè)計保證了衛(wèi)星控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)計的準(zhǔn)確性。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0006]一種適用于仿射非線性系統(tǒng)的故障可診斷性分析方法包括步驟如下:
[0007](I)將非線性閉環(huán)系統(tǒng)進行處理，使其變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)仿射非線性系統(tǒng)；
[0008](2)利用步驟(I)獲得的仿射非線性系統(tǒng)，獲取每個輸出量對應(yīng)的最小對偶分布；
[0009](3)利用步驟(2)獲得的最小對偶分布判斷故障是否可檢測，若可檢測則進入步驟(4)，否則判定故障不可檢測進入步驟(9)；
[0010](4)對步驟(3)獲得的可檢測性故障，進行可檢測性定量分析；
[0011](5)判斷可檢測性故障的定量分析結(jié)果是否為0，若為0則判定故障不可被檢測進入步驟(9);否則判定故障可檢測進入步驟(6)；
[0012](6)判斷是否有其他可檢測故障，若有則進入步驟(7)，否則判定該故障不可被隔離，進入步驟(9)；
[0013](7)對步驟(4)中獲得的可檢測性故障與其他可檢測故障進行可隔離性的定量分析；
[0014](8)判斷可隔離性故障的定量分析結(jié)果是否為0，若為0則判定故障不可被隔離進入步驟(9);否則判定故障可被隔離故障進入步驟(9)；
[0015](9)判斷是否遍歷仿射非線性系統(tǒng)的所有輸出量，若沒有則進入步驟(2)，若遍歷所有則進入步驟(10);
[0016](10)結(jié)束。
[0017]所述步驟(1)獲得的標(biāo)準(zhǔn)化仿射非線性系統(tǒng)為:
【權(quán)利要求】
1.一種適用于仿射非線性系統(tǒng)的故障可診斷性分析方法，其特征在于步驟如下: (1)將非線性閉環(huán)系統(tǒng)進行處理，使其變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)仿射非線性系統(tǒng)； (2)利用步驟(1)獲得的仿射非線性系統(tǒng)，獲取每個輸出量對應(yīng)的最小對偶分布； (3)利用步驟(2)獲得的最小對偶分布判斷故障是否可檢測，若可檢測則進入步驟(4)，否則判定故障不可檢測進入步驟(9)； (4)對步驟(3)獲得的可檢測性故障，進行可檢測性定量分析； (5)判斷可檢測性故障的定量分析結(jié)果是否為O，若為O則判定故障不可被檢測進入步驟(9);否則判定故障可檢測進入步驟(6)； (6)判斷是否有其他可檢測故障，若有則進入步驟(7)，否則判定該故障不可被隔離，進入步驟(9)； (7)對步驟(4)中獲得的可檢測性故障與其他可檢測故障進行可隔離性定量分析； (8)判斷可隔離性故障的定量分析結(jié)果是否為O，若為O則判定故障不可被隔離進入步驟(9);否則判定故障可被隔離故障進入步驟(9)； (9)判斷是否遍歷仿射非 線性系統(tǒng)的所有輸出量，若沒有則進入步驟(2)，若遍歷所有則進入步驟(10)； (10)結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于仿射非線性系統(tǒng)的故障可診斷性分析方法，其特征在于:所述步驟(1)獲得的標(biāo)準(zhǔn)化仿射非線性系統(tǒng)為:
/P
^t) = q[\(t) J] + X\(t) +YjPiMt ),t] J1XO
</=1e-1
、⑴= h[x ⑴ J] 其中:x(t) e Rn為定義在平衡點鄰域上的狀態(tài)變量；y(t) e Rm為輸出量；Ui e R1為輸入量；fe e Rp為故障量；q e R1^Ph e Rm為充分光滑的非線性函數(shù)，且滿足q(0)=0和h(0)=0 A e RnX1、i=l，"％l和Pe e RnXp、e=l，…，p分別為輸入和故障的光滑向量場；Rn、Rm> R1和Rp分別為在實數(shù)域內(nèi)的η維、m維、I維和p維列向量，n、m、I和ρ為正整數(shù)；t為時間變量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于仿射非線性系統(tǒng)的故障可診斷性分析方法，其特征在于:所述步驟(2)中的每個輸出量Iii的最小對偶分布為:


Ω0 = SpanSiZhy.1-
、J=] 上式遞推的終止條件為:存在一個正整數(shù)1^，使得A其中，Ω。為最小對偶分布的初值；k為迭代的次數(shù)L為李導(dǎo)數(shù)；j=l, --?,m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于仿射非線性系統(tǒng)的故障可診斷性分析方法，其特征在于:所述步驟(3)中判斷故障是否可檢測的判別條件為:故障匕不屬于下述分布:該分布包含在(dh) I中，且在向量場[q，Gi，Pj中不變，寫成:
Pe 茫< q,G ,P |.s7?t//7 jc/hj > , e = \,---,p。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于仿射非線性系統(tǒng)的故障可診斷性分析方法，其特征在于:所述步驟(4)中進行可檢測性定量分析的計算公式為:


【文檔編號】G05B23/02GK103699119SQ201310718995
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】王大軼, 李文博, 劉成瑞, 邢琰, 何英姿, 劉文靜 申請人:北京控制工程研究所