李默臣　姚波　王福忠

摘 要：針對(duì)一類不確定線性定常系統(tǒng)，基于圓形區(qū)域，研究了執(zhí)行器單一部件故障診斷與可靠控制的問題。首先，形成針對(duì)系統(tǒng)故障的極點(diǎn)分類數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)為解決閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)信息難以觀測(cè)的問題，給出了全維狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)極點(diǎn)信息的實(shí)時(shí)觀測(cè)。其次，根據(jù)不同通道發(fā)生故障時(shí)，極點(diǎn)所處區(qū)域不同的特點(diǎn)，應(yīng)用支持向量機(jī)（SVM）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，并依據(jù)故障診斷結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精準(zhǔn)可靠控制。最后結(jié)合數(shù)例仿真對(duì)提出的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可行性評(píng)估。

關(guān)鍵詞：支持向量機(jī);故障診斷;可靠控制;執(zhí)行器故障;極點(diǎn)分類

中圖分類號(hào)：TP277???? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Fault Diagnosis and Reliable Control Based

on Pole Classification in Disk Region

LI Mo-chen1， YAO Bo1，WANG Fu-zhong 2

（1.College of Mathematics and System Science，Shenyang Normal University，Shenyang， Liaoning 110034，China;

2. Department of Basic Education，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang， Liaoning 110036，China）

Abstract：To a class of uncertain linear time-invariant system， in terms of the circular region， the problem of fault diagnosis and reliable control of actuator single component is studied. Firstly， a pole classification database for system faults is formed. At the same time， in order to solve the problem that the pole information of closed-loop system is difficult to observe， the design method of full dimensional state observer is given ， realized the real-time observation of pole information. Secondly， according to the characteristics of different regions where the poles are located when faults occur in different channels， support vector machine （SVM） is applied to fault diagnosis of the system， and the accurate and reliable control of the system is realized according to the fault diagnosis results. Finally， numerical example illustrate the design method is feasible and effective.

Key words：support vector machine; fault diagnosis; reliable control; actuator fault; pole classification

在現(xiàn)代生活、生產(chǎn)中，控制原件故障隨處可見。尤其在航天、制導(dǎo)領(lǐng)域，往往受到各種不確定因素的影響，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障將給人員和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大的損失。因此通過故障診斷提前預(yù)警部件出錯(cuò)的位置并切換相應(yīng)的可靠控制器，對(duì)于提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性具有重大實(shí)用價(jià)值和理論意義。早期可靠控制[1-4]都是把系統(tǒng)可能發(fā)生的故障考慮在設(shè)計(jì)過程中，形成的可靠控制器和正?？刂破飨啾?，雖然一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性，但同時(shí)也降低了系統(tǒng)的性能，比如響應(yīng)時(shí)間變慢、性能指標(biāo)降低、能耗加大等。支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）作為一種新型統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)識(shí)別方法，很好解決了這類問題，其算法的本質(zhì)是基于凸二次優(yōu)化的方法找到全局的最優(yōu)解[5-6]。早期對(duì)于SVM研究主要用于系統(tǒng)辨識(shí)及缺陷識(shí)別[7-8]，相比傳統(tǒng)檢測(cè)手段，工序繁雜、準(zhǔn)確率差等問題，該方法從數(shù)據(jù)深度挖掘的角度，結(jié)合支持向量機(jī)分類算法，得到良好辨識(shí)效果。文獻(xiàn)[9]首次提出通過壓縮特征維數(shù)“去偽存真”的方法，降低偽特征的干擾，從而提高SVM分類效果。文獻(xiàn)[10]通過結(jié)合決策樹的基本思想，為支持向量機(jī)在多分類問題中的應(yīng)用提供了全新的方案。文獻(xiàn)[11]中針對(duì)極點(diǎn)信息難以觀測(cè)的問題，給出極點(diǎn)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合SVM對(duì)極點(diǎn)進(jìn)行分類處理，根據(jù)極點(diǎn)位置不同，對(duì)故障系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，達(dá)到很好的控制效果。文獻(xiàn)[12]通過比較多個(gè)尋優(yōu)算法的特點(diǎn)，以種群的角度設(shè)計(jì)更加完善的算法，并在最小二乘向量機(jī)（LSSVM）故障診斷模型的基礎(chǔ)上利用深度學(xué)習(xí)理論，實(shí)現(xiàn)了故障增益的估計(jì)擬合。關(guān)于支持向量機(jī)的其他應(yīng)用，前人也做了大量的研究[13-14]。在利用極點(diǎn)配置和SVM極點(diǎn)分類技術(shù)進(jìn)行故障診斷問題的基礎(chǔ)上，考慮了系統(tǒng)的不確定性因素，設(shè)計(jì)的可靠控制器無(wú)論系統(tǒng)是否發(fā)生執(zhí)行器故障，都能使極點(diǎn)穩(wěn)定在圓形區(qū)域內(nèi)。首先，模擬每條執(zhí)行器通道故障建閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)。并依據(jù)本文提出的極點(diǎn)觀測(cè)器設(shè)計(jì)理念，完成對(duì)閉環(huán)極點(diǎn)信息的實(shí)時(shí)采集，并通過極點(diǎn)分類器，實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)的精準(zhǔn)分類，從而對(duì)系統(tǒng)形成故障預(yù)警。當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)故障但極點(diǎn)仍被約束在圓形區(qū)域時(shí)，則在原控制器下保持穩(wěn)定;若極點(diǎn)跳出所要求的圓形區(qū)域，調(diào)換對(duì)應(yīng)故障的可靠控制器使其繼續(xù)保持穩(wěn)定。

8 結(jié) 論

針對(duì)文中一類不確定線性定常系統(tǒng)，基于圓形區(qū)域下，執(zhí)行器單一部件故障診斷和可靠控制的問題。通過極點(diǎn)觀測(cè)器及分類器的設(shè)計(jì)，所得到的極點(diǎn)信息誤差小、分類精準(zhǔn)。與傳統(tǒng)正?？刂破飨啾龋岢龅目煽靠刂破骶哂幸欢ǖ聂敯粜?，當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)故障但極點(diǎn)仍穩(wěn)定在圓形區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)仍在原控制器下保持穩(wěn)定。若極點(diǎn)偏離所要求的區(qū)域，系統(tǒng)立即作出預(yù)警，調(diào)換對(duì)應(yīng)的可靠控制器使其繼續(xù)保持穩(wěn)定。這樣得到的可靠控制器具有響應(yīng)速度快，能耗低、性能高等優(yōu)點(diǎn)。最后的仿真實(shí)例也證明了設(shè)計(jì)可靠控制器的必要性。

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