馬潔光 張強(qiáng)

摘要：在近年來控制領(lǐng)域的各種研究中，基于T-S-K模型進(jìn)行故障診斷的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)方向。該文利用T-S-K模型可用局部線性化的線性模型來描述非線性系統(tǒng)的方法，分別設(shè)計(jì)了模糊檢測(cè)觀測(cè)器和模糊控制器，并將設(shè)計(jì)的觀測(cè)器以及控制器對(duì)一級(jí)倒立擺模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：T-S-K模糊模型；狀態(tài)重構(gòu)；模糊觀測(cè)器；非線性系統(tǒng)；倒立擺

中圖分類號(hào)：TP206文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)21-5206-05

隨著工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化水平的日益提高，系統(tǒng)的復(fù)雜性以及其規(guī)模在不斷的擴(kuò)大。由于系統(tǒng)趨于復(fù)雜化，并且隨著故障檢測(cè)與診斷技術(shù)深入的研究，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)過程中非正常事件管理的核心組成之一。以軟件為主的故障檢測(cè)與診斷技術(shù)是利用解析冗余代替硬件冗余，并通過系統(tǒng)自組織使系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，再利用觀測(cè)器的輸出得到系統(tǒng)故障信息[1]。伴隨著計(jì)算機(jī)學(xué)科、人工智能學(xué)科和專家系統(tǒng)學(xué)科的迅速發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的故障檢測(cè)和診斷技術(shù)產(chǎn)生了很大的影響，為其研究的發(fā)展奠定了物理基礎(chǔ)以及原理概念體系定義的方和分類，推動(dòng)了故障診斷系統(tǒng)模型的建立以及推理機(jī)制等方面的快速發(fā)展[2]。

利用正常系統(tǒng)和故障系統(tǒng)之間比較的殘差，是基于模型的故障檢測(cè)和診斷技術(shù)最常用的研究方法，并且被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)的研究中[3]。然而，非線性系統(tǒng)的故障診斷方面的研究中，難題仍然是如何建立系統(tǒng)模型。所以大多數(shù)的非線性系統(tǒng)的故障檢測(cè)和診斷的研究，一般都是采用兩個(gè)步驟的研究方法。首先，先選定一個(gè)工作點(diǎn)，在其附近將非線性系統(tǒng)線性化，再次，利用線性理論對(duì)其進(jìn)行建模的研究[4]。T-S-K模糊模型就是利用局部線性化的方法建立線性模型，來描述非線性系統(tǒng)，它是一種描述動(dòng)態(tài)非線性系統(tǒng)的常見的方法[5]。在對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行的故障診斷的研究中，利用基于T-S-K模糊模型進(jìn)行線性化建模的方法，已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前自動(dòng)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

在實(shí)際系統(tǒng)中，有些狀態(tài)變量不易直接測(cè)量，或測(cè)量設(shè)備在經(jīng)濟(jì)性、適用性上受限制，從而導(dǎo)致不可能獲得全部狀態(tài)，所以可用

狀態(tài)重構(gòu)的方法重新構(gòu)造一個(gè)系統(tǒng)，利用原系統(tǒng)中可直接測(cè)量的變量（如輸入、輸出等）作為其輸入信號(hào)，并使其輸出信號(hào)在一定的指標(biāo)下等價(jià)于原系統(tǒng)下對(duì)應(yīng)的狀態(tài)變量。而這個(gè)用以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)重構(gòu)的系統(tǒng)被稱為觀測(cè)器[8]。將T-S-K模糊規(guī)則與狀態(tài)重構(gòu)的方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種模糊觀測(cè)器，目標(biāo)模糊控制器則由該模糊觀測(cè)器來控制執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)基于模糊觀測(cè)器的故障診斷方法。

本文利用T-S-K模糊模型對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行線性化建模的方法，分別設(shè)計(jì)了基于T-S-K模糊模型的模糊觀測(cè)器和模糊控制

[1] Jiang B,Chowdhury F.Observer-based fault diagnosis for a class of nonlinear system[C].Proceeding of the American Control Conference, Boston,Massachusetts,2004:5671-5675.

[2]周東華,葉銀忠.現(xiàn)代故障診斷與容錯(cuò)控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000:1-16.

[3]周東華,孫優(yōu)賢.控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)與診斷技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1994.

[4]宋華,張洪鉞,王行仁.基于模糊觀測(cè)器的不確定非線性系統(tǒng)故障檢測(cè)方法[J].航天控制,2005,23(3):74-78.

[5]張曉梅,姜興渭.基于動(dòng)態(tài)模糊觀測(cè)器的故障診斷方法研究[J].航空學(xué)報(bào),2004,25(11):49-50.

[6] Takagi T,Sugeno M.Fuzzy identification of systems and its applications to modeling and control[J].IEEE Transaction on Systems,Man,Cy? bernetics,1985,15(1):116-132.

[7] Patton R J,Chen J,Lopez-Toribio C J.Fuzzy observers for non-linear dynamic systems fault diagnosis[C].Proc. of the 37th IEEE Confer? ence on Decision and Control,Tampa,Florida,USA,Dec.,1998:84-89.

[8] Patton R J,Chen J.0bserver-based Fault Detection and Isolation：Robustness and Applications[J].Control Engineering Practice,1997,5(5): 671-682.

[9] Tanaka K,Sugeno M.Stability analysis and design of fuzzy control systems[J].Fuzzy Sets and Systems,1992,45(2):135-156.

[10] Park U H J,Cheng J B.Robust fuzzy control of nonlinear systems with parametric uncertainties[J].IEEE Trans On Fuzzy systems,2001,9(2):369-379.

[11] Ma X J,Sun Z Q,He Y Y.Analysis and design of fuzzy controller and fuzzy observer[J].IEEE Transaction on Fuzzy Systems,1998,6(1): 41-51.

[12]曾志新,鄒海明,李偉光.倒立擺的建模及MATLAB仿真[J].新技術(shù)新工藝,2005(10):16-18.