论文题目：舞台多电机同步控制系统传感器故障主动容错方法研究
摘要：随着我国科技文化事业的飞速发展,舞台机械控制系统的应用已越来越广泛。为实现特定的演艺效果,舞台机械系统在运行过程中具有不同设备切换频次高、动作复杂多变、时间节点要求准确等特点,这使得现代舞台机械控制系统在功能更加完备的同时,结构也变得更为庞杂,发生故障的几率在随之增加;加之演出过程“救场如救火”,无疑增加了舞台控制系统的高可靠性需求。为此,通过深入分析舞台控制系统的运行模式及影响其安全性的诸多因素,从最为常见的多电机同步控制入手,针对系统控制性能欠优及传感器故障问题,重点进行了以下几方面创新性的研究工作:1)基于自抗扰与偏差耦合的同步控制策略与参数优化针对舞台运行过程中负载扰动和非线性等不确定性对同步控制性能的影响,基于PMSM数学模型,在矢量控制方式下,首先设计了基于自抗扰控制（ADRC）的转速同步控制器,并结合偏差耦合的同步控制结构,提高了系统的同步性能;考虑到扩张状态观测器（ESO）在ADRC补偿控制中的重要作用,而非线性ESO因参数较多、整定复杂,使其工程应用受限的问题,采用线性ESO（LESO）,在观测状态的同时,实现了对扰动及非线性不确定部分的估计;并基于频域法深入分析了参数选取对估计的收敛性、快速性及噪声抑制和鲁棒性等的影响趋势,进而得到了参数整定的依据,从而在矢量控制架构下,为设计性能优异的LESO,实现ADRC对PMSM更为有效的估计、补偿与控制提供了指导。2)基于LESO-SPRT传感器故障诊断与可靠性量化评价重构容错的集成方法针对舞台多电机同步控制系统中的传感器故障问题,考虑到现有转速估计方法的适用范围有限这一不足,基于无速度传感器矢量控制原理,采用LESO在电流环实现了对转速的全范围高精度估计;并将估计转速与实测转速进行比较,基于序贯概率比检验（SPRT）的残差分析实现故障诊断;在采用直接切换估计转速以实现对故障传感器的隔离和系统容错时,考虑基于SPRT诊断结果的直接切换所带来的抖震与可靠性不足问题,构建了以SPRT为内核的故障诊断可靠性量化评价因子,并进而设计了基于可靠因子的平滑重构策略,在降低切换动态的同时,提高了诊断的可靠性及容错实施的及时性。尤其是可靠因子的引入,使传感器故障诊断可靠性的量化评价与平滑重构容错的设计得以集成实现。3)基于多尺度形态学的传感器故障诊断与冗余信息重构的容错方法针对基于观测器设计的方法需要精确的数学模型,而随着系统复杂度的增加,建模变得越加困难的现状,采用多尺度形态学这一信号处理方法,通过对传感器故障模式的分析,实现了对传感器的故障检测,并借助于舞台系统中固有的转速与位移传感器信号之间的解析冗余关系,通过构造数值积分器和微分器实现了对故障传感器的隔离容错。在这一过程中,考虑现有微分器存在形式复杂、整定参数多、噪声抑制能力有限等问题,在深入分析综合控制函数特点的基础上,设计了基于双曲正切的改进型跟踪微分器,并从机理上证明了其收敛性。改进型微分器的引入,改善了微分效果,降低了整定参数个数,提高了系统容错性能。4)基于复杂网络的传感器故障诊断与修正加权均值反馈的容错方法针对舞台多电机同步控制中存在着丰富的硬件、结构与信息冗余,受复杂网络同步输出中耦合矩阵概念的启发,设计了基于距离的表征不同传感器测量数据输出一致性的相似度矩阵,通过对矩阵中相关元素及特征值的判断,实现了对故障传感器的检测、定位与估计;并依据故障诊断结果,通过设计改进的加权均值反馈机制,实现了对故障传感器的隔离和系统容错。相似度矩阵的巧妙构造,其元素构成体现了系统的结构特点,因而具有机理模型的特征;而相似度矩阵的生成又是由数据产生,因此该方法可谓是一种基于模型与数据驱动的有机融合,兼具了模型和数据的优点,对于复杂系统的故障诊断与容错设计具有参考价值。5)舞台4电机同步半实物实验平台的搭建及3类主动容错方法的实验研究为验证理论方法的有效性和工程适用性,结合已有的实验条件,搭建了与实际舞台控制模式及硬件体系相一致的模拟系统。该系统以“PLC+变频器+PMSM+编码反馈”为硬件,采用Matlab作为验证理论算法的软件,通过OPC技术实现Matlab与PLC及变频器之间的通讯,实现了“Matlab+舞台机械模拟系统”的4电机同步控制半实物实验平台;在此平台上对前述所取得的部分理论成果进行实验研究与验证,并得到了与仿真实验相一致的结论,从而进一步验证了所提方法的有效性与工程适用性。实验平台的搭建,在验证理论算法有效性的同时,从提高理论方法的工程应用效率角度,也为检验算法的工程适用性和使用价值、进而应用于工程实践,提供了一种更为实际有效的途径。
关键词：故障诊断;容错控制;舞台机械;多电机同步;自抗扰控制;多尺度形态学;复杂网络
学科专业：控制理论与控制工程
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
1.2 影响舞台多电机同步控制系统安全性关键因素分析
1.3 传感器故障诊断与容错控制研究现状
1.3.1 传感器故障诊断研究现状
1.3.2 传感器故障主动容错控制研究现状
1.4 存在的问题与不足
1.5 论文的研究内容和组织架构
1.5.1 论文的研究内容
1.5.2 论文的组织架构
1.6 本章小结
第2章 基于自抗扰与偏差耦合的同步控制策略与参数优化
2.1 引言
2.2 基于ADRC的同步控制算法研究
2.2.1 自抗扰范式模型的建立
2.2.2 跟踪微分器TD设计
2.2.3 非线性扩张状态观测器NLESO设计
2.2.4 非线性状态误差反馈控制律NLSEF设计
2.3 基于线性扩张状态观测器(LESO)的状态估计与参数优化
2.3.1 基于LESO的状态与不确定性估计原理
2.3.2 基于频域法的LESO收敛性及快速性能分析
2.3.3 LESO的滤波性能及鲁棒性分析
2.3.4 用于PMSM状态估计的LESO参数整定原则与步骤
2.4 基于偏差耦合的多电机同步控制结构
2.4.1 常用的多电机同步控制结构性能分析
2.4.2 基于偏差耦合的舞台多电机同步控制结构
2.5 仿真实验与分析
2.5.1 参数选取对LESO估计性能影响的仿真与分析
2.5.2 基于LESO的ADRC与偏差耦合多电机同步控制仿真与分析
2.6 本章小结
第3章 基于LESO-SPRT传感器故障诊断与可靠性量化评价重构容错的集成方法
3.1 引言
3.2 传感器故障类型及现有转速/位置估计方法分析
3.2.1 传感器故障类型分析与描述
3.2.2 无传感器矢量控制中现有转速/位置估计方法分析
3.3 基于LESO的电流环转速观测器设计
3.3.1 基于LSEO的转速观测思想
3.3.2 基于LSEO的转速观测器设计
3.4 基于SPRT残差检验的故障诊断与重构容错
3.4.1 基于转速估计的故障诊断与重构容错结构
3.4.2 基于SPRT残差分析的故障诊断
3.5 基于故障诊断可靠性量化评价的平滑重构容错
3.5.1 故障诊断可靠性量化评价函数的构建
3.5.2 基于可靠因子导引的平滑重构容错设计
3.6 仿真实验与分析
3.6.1 基于LESO转速观测仿真与分析
3.6.2 基于SPRT的故障诊断与可靠因子导引的平滑重构容错仿真与分析
3.6.3 多电机同步控制下传感器故障诊断与容错仿真分析
3.7 本章小结
第4章 基于多尺度形态学的传感器故障诊断与冗余信息重构的容错方法
4.1 引言
4.2 基于多尺度形态学分析的传感器故障诊断
4.2.1 多尺度形态学分析原理
4.2.2 基于多尺度形态学分析的传感器故障诊断
4.2.3 仿真分析与验证
4.3 基于冗余信号重构的故障传感器容错
4.3.1 单电机驱动控制结构与冗余分析
4.3.2 基于积分器和微分器的故障传感器信号重构
4.3.3 仿真分析与验证
4.4 基于双曲正切改进型跟踪微分器的故障传感器重构容错设计
4.4.1 基于双曲正切的改进跟踪微分器设计
4.4.2 Tanh-TD参数选取与性能分析
4.4.3 仿真分析与验证
4.5 本章小结
第5章 基于复杂网络的传感器故障诊断与修正加权均值反馈的容错方法
5.1 引言
5.2 复杂网络相似度矩阵的构建
5.2.1 复杂网络耦合矩阵属性分析
5.2.2 相似度矩阵的构造方法
5.3 基于相似度矩阵元素判别的传感器故障诊断方法
5.3.1 基于相似度矩阵元素判别的传感器故障检测
5.3.2 基于相似度矩阵特征值的故障估计
5.4 基于可靠系数的改进加权均值反馈传感器故障隔离与容错
5.5 基于相似度矩阵与改进均值反馈的传感器故障诊断与容错步骤
5.6 仿真实验与分析
5.6.1 单个传感器故障仿真
5.6.2 多个传感器同时故障仿真
5.7 本章小结
第6章 舞台多电机同步控制系统传感器故障主动容错方法的实验研究
6.1 引言
6.2 半实物实验平台构建
6.2.1 实验平台的软硬件组成
6.2.2 实验平台的架构
6.2.3 实验平台的软硬件组态
6.3 基于ADRC与偏差耦合的4台电机同步控制实验研究
6.4 LESO-SPRT的编码器故障诊断与基于可靠因子的平滑重构容错实验研究
6.4.1 基于LESO的转速观测实验
6.4.2 基于LESO-SPRT的故障诊断与引入可靠因子的平滑重构容错实验
6.5 多尺度形态学故障诊断与TANH-TD的冗余信号重构容错实验研究
6.5.1 基于多尺度形态学的故障诊断实验
6.5.2 基于冗余信号重构的容错实验
6.6 复杂网络相似度矩阵的故障诊断与容错实验研究
6.7 本章小结
结论与展望
参考文献
致谢