[发明专利]一种死区三明治系统的状态和故障估计方法

说明书

本发明公开了一种死区三明治系统的状态和故障估计方法，该方法针对死区非线性非光滑三明治系统中间变量不可测的问题，本发明公开了一种切换比例积分观测器精确快速地估计了系统的状态和故障。首先利用关键分离原则和切换函数，构建能准确描述死区三明治系统的非光滑状态空间方程。其次，根据构建非光滑状态空间方程，构建能随系统工作区间变化而切换的SPIO。并通过分析观测器的估计误差，给出了观测器收敛的条件，并对观测器收敛定理给出了数学证明。本方法的优点是将切换函引入观测器，与传统的比例积分观测器相比，采用本方法的观测器能够更精确地同时估计系统的状态和故障。

技术领域

本发明涉及非线性系状态估计技术领域，具体是一种死区三明治系统的状态和故障估计方法。

背景技术

在工业中存在一类死区三明治系统。该类系统的中间变量无法测量或测量代价非常大，但如果不能获取其中间状态，则无法进行多数的状态反馈控制方法，因为状态反馈控制中必须要准确知道系统的状态值。目前获得未知状态值最有效的方法就是设计观测器，利用系统的输入输出变量估计系统未知的状态。

中国专利CN105204332A公开了一种基于非光滑观测器的含有死区和迟滞的复合三明治系统状态估计方法，该发明是在三明治系统不含故障的情况下，对系统的状态进行了估计。但在实际系统中故障往往是不可必免，由于故障的存在系统的状态估计会产生一定的扰动，甚至导致估计误差发散，即估计不到系统的状态。由于忽略了故障影响，该发明也没有估计系统故障。迄今为止，尚未发现同时估计状态和故障的死区三明治系统的专利及文献。

本发明提出了一种新的切换比例积分观测器来完成这个工作。在切换比例积分观测器中引入能够随系统工作区间切换的切换项，并分析状态和故障估计误差。最后给出了系统状态估计误差和故障的估计误差有界的条件。通过实施例比较了切换比例积分观测器和传统比例积分观测器的估计效果。结果表明切换比例积分观测器优于传统比例积分观测器，该方法可用于将来系统控制和故障容错控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种死区三明治系统的状态和故障估计方法，该方法提出的切换比例积分观测器包含了能够随系统工作区间变化的切换向量，与传统比例积分观测器相比，采用该方法能够同时估计系统的状态和故障，且估计误差更较小，估计速度更快。

实现本发明目的的技术方案是：

一种死区三明治系统的状态和故障估计方法，包括如下步骤：

1)利用关键项分离原则和切换函数，构建能准确描述含有故障的间隙三明治系统的非光滑状态空间方程，由于死区非线性特性的特点是输出的大小只与当前时刻的输入的大小有关，与前一时刻的输入输出无关，针对含有执行器故障的死区三明治系统时建立系统的状态空间方程，具体如下：

1-1)建立线性子系统的状态空间方程：根据线性系统理论，线性子系统L₁的状态空间方程如下所示：

根据线性系统理论，线性子系统L₂的状态空间方程如下所示：