南通大学毕业设计(论文)题目：基于观测器的倒立摆系统最优故障 检测设计 摘 要倒立摆系统具有很强代表性，其系统结构与双足机器人检测系统，火箭飞行检测系统和各类伺服系统类似.以倒立摆为对象，开展最优故障检测设计研究具有重要意义. 所谓最优故障检测，即寻找一个最佳方法来权衡故障灵敏度和模型不确定鲁棒性。首先，对最优故障检测方法进行了深入的研究,确定了进行设计的前提条件。然后，针对倒立摆系统建立其机理模型。进一步的，在得出开环系统模型之后，由于系统不稳定性，所以采用极点配置方法来进行闭环反馈控制。最后，搭建闭环仿真模型，确定模型的正确性和准确性，实现基于观测器的倒立摆系统的最优故障检测的目的。 关键词：倒立摆，最优故障检测，故障灵敏度，极点配置ABSTRACT Inverted pendulum system and biped robot, rocket, detection systems and various types of servo systems are very similar, therefore, observer based optimal fault detection design of r inverted pendulum system is of great significance. The core of the optimal fault detection is to make a trade off between fault sensitivity and robustness of model uncertainty. First, the optimal fault detection method is conducted in-depth and the design prerequisite is determined. Then, according to the mechanism of inverted pendulum system, the open loop model is established. Furthermore, due to the instability of the system, pole placement method is employed to make the system stable. Finally, simulation is used to determine the correctness and accuracy of the model, and the effectiveness of the observer-based optimal fault detection method is verified. Key words: inverted pendulum, optimal fault detection, fault sensitivity, pole placement目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 课题背景及意义11.1.1 课题背景11.1.2 意义及主要应用11.2 倒立摆系统研究现状21.3 故障检测方法研究的现状31.4 本论文主要研究内容及章节安排4第二章 最优故障检测方法62.1 故障灵敏度62.2 系统描述72.2.1 过程模型72.2.2 残差产生器72.3 预备知识92.4 问题描述92.5 两个定理102.6 基于状态空间的故障检测滤波器13第三章 倒立摆故障检测系统建模163.1 倒立摆系统163.1.1 倒立摆系统组成163.1.2 四个多变量173.2 非线性系统模型173.3 模拟系统183.4 LCF的一般模型193.4.1 模型不定量203.4.2 模拟故障203.5 闭环模型213.5.1 观测器213.5.2 干扰补偿的状态反馈控制器213.6 极点配置22第四章 仿真244.1 简介244.1.1 简介244.1.2 简介244.2 倒立摆故障检测系统仿真254.2.1 倒立摆故障检测系统相关数据254.2.2 搭建模型264.3 仿真结果26第五章 总结和展望315.1 总结315.2 展望31致谢33参考文献1第一章 绪论1.1 课题背景及意义1.1.1 课题背景 站立在二十一世纪的今天，经济贸易全球化、信息流动全球化、文化交流全球化和生产制造全球化，无一不是依托现在高度发达的科学技术，科学技术使地球变得越来越小，现在的地球就像是一个村落，今天发生的事情，可能在明天就会传遍全球。伴随现代化的生产发展和科学技术日新月异，设备的结构日趋复杂化，设备的功能日趋完善化，自动化程度愈来愈高。 尽管人类生活水平越来越高，生活方式越来越便捷，使用的各种设备越来越精细，但是由于各类无法避免的不确定因素的影响，有时设备会出现各种各样的故障，各种各样的故障可能导致设备降低或失去预定的功能，更有甚者会导致毁灭性的灾难事故，国内和国外曾经发生的各种各样的空海难、爆裂塌毁、固液气体泄露等灾难性事故，直接造成了大量人员伤亡和各类财产损失。事故造成的后果触目惊心，从经济物质到自然环境产生了不可估计的社会影响。鉴于设备出故障可能带来的巨大的不可估计的后果，因此保证设备的安全运行，消除事故，是十分迫切的问题。 在现实社会和日常生产生活中，由于各类场所的需要，加快对故障的反应速度和检测的准确度，以及对故障的快速修复能力，人类大量在机器人、高空飞行器及配套火箭推进系统、卫星及相关功能的故障检测上投入大量人力物力进行实践研究，以期望能得到最佳效果，而其中，倒立摆研究是众多研究人员所喜爱的。1.1.2 意义及主要应用 倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的高阶不稳定系统，其种类很多，包括悬挂式倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆。由于倒立摆系统与双足机器人，火箭飞行检测和各类伺服系统有很大相似性，因此对倒立摆检测机理的研究具有重要的理论和实践意义。其主要应用于以下几方面：(1)机器人 机器人类人类站立与行走是双倒立摆的近似系统，虽然从第一台机器人问世与美国，到如今也有三十年的历史，但是机器人的关键技术机器人类人类行走控制与检测问题至今仍未能解决到让人满意的程度。(2)高空飞行器 在火箭等高空飞行器的高空航飞过程中，为了保持其正确的姿态，要不断进行实时检测。(3)通信卫星和侦察卫星 通信卫星在预先计算好的轨道和确定的位置上运行的同时，要保持其稳定的姿态，使卫星天线一直指向地球，使它的太阳能电池板一直跟踪太阳。 太空侦察卫星自带的摄像机的微动量的振幅会对摄像产生的图像质量造成巨大的影响，为了得到高质量的摄像影像，必定要求自动地维持有稳定的伺服，使振幅减少到最小。(4)高空飞行器配套推进系统 为防止高空飞行器配套推进系统单级燃料火箭在发生变动方向时裂断而研发的的柔性多级燃料火箭， 对其航飞姿态的检测研究可引入多级倒立摆作为研究对象。1.2 倒立摆系统研究现状 现如今一系列关于倒立摆的研究主要集中在亚洲，如中国的北京师范大学、等；韩国的釜山大学等，此外，俄罗斯的圣彼得堡大学、美国的东佛罗里达大学、俄罗斯科学院、波兰的波兹南技术大学、意大利的佛罗伦萨大学也对这个领域有持续的研究。最近一些年，尽管各种类型的新式倒立摆问世不断，但是具有自主研发并生产能力倒立摆装置的厂家屈指可数。目前，国内各大高校基本上都使用由香港固高公司和加拿大公司的产品；还有其它一些生产厂家：(韩国)奥格斯科技发展有限公司、保定航空技术实业有限公司；近期，郑州微纳科技有限公司研制的微纳科技直线电机倒立摆的获得成功。倒立摆系统是一个复杂的、高度非线性的、不稳定的高阶系统，是学习和研究现代检测理论最合适的实验装置。倒立摆的检测是检测理论应用的一个典型范例,一个稳定的倒立摆系统对于证实状态空间理论的实用性是非常有用的。迄今人们对倒立摆的研究已经非常深入，我国已成功地实现了四级倒立摆的研究。 为了提高自动控制系统的可靠安全性和有效工作性等性能指标，近许多年来故障检测技术取得前无古人的发展。各种各类新的方法和技术不断加入故障检测的应用的行列中，所以故障检测的成果愈来愈推陈出新，这样的推陈出新是的自动化技术逐渐走下圣坛，越来越贴近实际的工程需求，使得自动化更加广泛的应用得到加强。故障检测的研究的领域，就是使工程检测监控能力强大化和复杂精细系统运行自动化研究的重要领域。1.3 故障检测方法研究的现状 故障的定义具有外延性，其狭义定义：系统中至少出现一个具有重要意义的变量或者关键的性能指数，偏离正常的工作范围的轨道；其广义定义：动态控制系统出现失常现象，导致系统期望的特性无法显现。依据不同的故障类型的分类原则，可分为加性故障和乘性故障；可分为主要元件故障、传感器故障和执行器故障；可突变故障和渐变故障等。 本质上讲，故障检测是通过检测出故障信号，并对之综合处理，最终得出有关故障的综合性评价的过程。故障检测是通过现象判断本质，通过局部表现对整体进行预测，依据以见从而预测到未见的过程。它需要通过对系统各种可测现象和既定技术参数标准的对比来估计系统运行是否处于正常状态，进一步判断产生故障的组件及其原因，预测潜在故障的发生等。控制系统的故障检测是通过对系统的各种特征信号的提取和分离，运用解析、经验和观测器等手段来检测系统的故障，并确定故障所产生的部位，使得人们可以根据报警信息解决故障，避免失效的发生。故检测系统一般由故障检测、故障隔离、故障辨识和故障调节等部分组成。判别故障检测系统的性能指标主要有：故障检测的及时性、故障检测的灵敏度、故障的误报率和漏报率和故障检测系统的鲁棒性等。 故障检测的方法有很多，包括基于模型解析冗余方法(主要有故障检测滤波器法、等价空间法、参数识别法等)、基于知识方法和数据驱动方法等。本论文围绕基于状态观测器的最优故障检测方法展开说明。 1.4 本论文主要研究内容及章节安排在基本检测理论的基础上，最终实现系统稳定，并达到课题要求之内。本文的主要工作是在认识分析平面倒立摆系统的基础上，对一级平面倒立摆系统进行了建模，并采用线性二次型最优检测算法实现一级平面倒立摆的最优检测。在深入了解倒立摆的基础上，熟悉单级倒立摆检测的基本原理，了解单级倒立摆检测的发展趋势，熟悉线性系统的基本理论和非线性系统线性化的基本方法，在此基础上确定实施的检测方法：建立单级倒立摆的数学模型，并编写程序，完成倒立摆的仿真实验。 为此，本课题拟开展针对倒立摆系统的故障检测方法研究，为基于观测器的倒立摆系统最优故障检测方法应用到复杂非线性系统如航天器等奠定基础.能及时地、准确地对各种故障状态做出检测，以达到预防或消除故障的目的，对设备的自动运行进行策略性评估，提高设备自动运行的稳定性和安全性，以此把由于故障而造成的损失降低到最低水平，从而提高设备自动运行的效率。 保证设备产生最大的冗余度，设定合理的检维制度，以便