[发明专利]一种基于对偶空间变换的闭环控制系统故障检测方法

说明书

本发明涉及闭环控制系统故障诊断领域，尤其涉及一种基于对偶空间变换的闭环控制系统故障检测方法，包括：构建闭环控制系统模型，获取系统运转时的输入输出样本数据，得到对偶空间变换的稳定内核矩阵Φ；根据对偶空间变换的稳定内核矩阵Φ，计算闭环控制系统数据残差r_k，q；设置时间窗口N₀，将时间窗口内的数据残差r_k，q累加得到累积残差；利用累积残差，构建闭环控制系统故障检测统计量，并与检测阈值比对，实现闭环控制系统的故障检测。本发明能够有效地针对闭环控制系统的故障进行检测，而且提高了故障检测性能。

技术领域

本发明涉及闭环控制系统故障诊断领域，尤其涉及一种基于对偶空间变换的闭环控制系统故障检测方法。

背景技术

科学技术的快速发展使得工业系统的复杂程度日益提高，如果此类复杂系统发生故障，轻则导致产品质量下降，重则可能导致重大的财产损失和人员伤亡，因此提高系统运行的安全性与可靠性，及时检测故障的发生与否，成为当今时代研究的热点问题。

为了使设备实现预定的生产目标，同时满足系统运行的稳定性、鲁棒性等要求，通常对系统施加闭环控制。通过闭环控制调节，减少外界扰动对系统运行的影响，使得系统更具鲁棒性。目前工业生产中已有大量的闭环控制率得到广泛应用，如：比例积分微分控制，最优控制，鲁棒控制等。

由于闭环控制的引入，使得系统故障检测性能下降，其主要原因是因为闭环控制的引入通常会使得系统对于外部扰动更鲁棒，因此当故障处于早期阶段或故障幅值较小时，所带来的影响可能是故障信号被控制量所掩盖，使得故障难以被检测，从而导致更高的漏报率。

目前开环系统的故障检测已有大量的研究成果，但是由于闭环控制率的引入，系统的运行特征发生变化，系统更具鲁棒性和稳定性，所以大多数开环系统故障检测方法无法直接应用于闭环系统。

在模型确定的情况下，传统的基于模型的故障检测方法通常用模型系统的计算值与实际系统的输出值构建残差统计量，进而完成故障检测。而在闭环控制系统中，由于所设计的闭环控制率，系统残差仍然可能趋于零，因此，模型确定情况下，系统残差对闭环控制下系统的故障不敏感，从而增加了故障检测难度。

由于实际系统庞大复杂，难以建立较为准确的系统模型，且建立一套完整的故障模式库代价过大，因此，在模型不确定的情况下，一般会选择基于数据驱动的故障检测方法。开环系统下，基于数据驱动的故障检测方法，其研究成果也较显著，但由于闭环控制系统所固有的特性，大多数开环系统的数据驱动检测方法也很难直接应用于闭环控制系统。

闭环控制系统故障检测的难点主要在于由于闭环控制率的存在，故障幅值变小，用传统方法构建的检测残差难以满足检测性能；此外，由于动态系统过于复杂，使得模型不够准确，或者是模型参数未知等情况，使得系统状态变量难以估计。

发明内容

本发明提供的基于对偶空间变换的闭环控制系统故障检测方法，其能够有效地针对闭环控制系统的故障进行检测。

本发明提供的基于对偶空间变换的闭环控制系统故障检测方法，包括：

构建闭环控制系统模型，获取系统运转时的输入输出样本数据，得到对偶空间变换的稳定内核矩阵Φ；

根据对偶空间变换的稳定内核矩阵Φ，计算闭环控制系统数据残差r_k，q；

设置时间窗口N₀，将时间窗口内的数据残差r_k，q累加得到累积残差

利用累积残差构建闭环控制系统检测统计量，并与检测阈值比对，实现闭环控制系统的的故障检测。