一类时变闭环系统的故障诊断研究

With the increasing scale and complexity of modern industrial systems, how to improve the reliability and safety of practical systems and eliminate potential threats has been extensively studied. In practical engineering, many systems are under closed-loop control because of stable and robust demands. Therefore, there is a great need to address the closed-loop fault diagnosis problem. The research focus of this project is the fault diagnosis problem for a class of linear/nonlinear time-varying closed-loop systems. First, for a class of uncertain linear systems, a novel residual generator design index will be proposed, and the fault detectability and diagnosability will also get investigated. Second, for a class of nonlinear systems, the conditions that can guarantee the existence of a finite-horizon robust residual generator will be established and the generator gain will be obtained, and the effects of the feedback control on the fault diagnosis performance will be discussed. Last, the project will apply the proposed methods in the high-speed EMU brake control system experiment bench of CRRC Sifang Rolling Stock Research Institute to verify the effectiveness. This research project has not only important theoretical values, but also potential applications to improve the safety and reliability of high-speed EMU brake control system.

现代工业系统中，故障诊断技术是提高系统运行可靠性、降低风险的重要方法。为了实现系统运行过程中的稳定性、鲁棒性要求，真实工业系统通常受到闭环反馈控制，因此有必要在闭环前提下研究故障诊断方法。本项目拟在时变框架下分别针对线性和非线性闭环系统进行故障诊断研究。首先针对含有模型不确定性的线性闭环系统，提出新颖的残差生成器设计指标以实现故障诊断，讨论故障的可检测性和可诊断性；然后在非线性闭环系统中讨论有限时长内鲁棒残差生成器的存在条件并设计参数，并分析反馈控制对故障诊断性能的影响；最后以高速动车组制动控制系统为对象，利用青岛四方车辆研究所的动车组制动系统联调实验台对理论研究的结果进行实验验证和应用。本课题的研究成果不仅具有重要的理论意义，而且对提高高速动车组制动控制系统的安全性和可靠性具有潜在的工程应用价值。

现代工业系统中，故障诊断技术是提高系统运行可靠性、降低风险的重要方法。为了实现系统运行过程中的稳定性、鲁棒性要求，真实工业系统通常受到闭环反馈控制，因此有必要在闭环前提下研究故障诊断方法。本项目在时变框架下分别针对线性和非线性闭环系统进行故障诊断研究。首先针对含有模型不确定性的闭环系统，提出新颖的残差生成器设计指标以实现故障诊断，讨论故障的可检测性和可诊断性；然后在网络化闭环系统中讨论不同指标下残差生成器的存在条件并设计参数，并分析反馈控制对故障诊断性能的影响；最后在结合数据的方向上进行了故障诊断研究的探索，利用旋转机械实验台进行实验验证和应用。.在国家自然科学基金(No. 61703244)的支持下，课题组按照计划书中既定的研究内容开展研究，完成了计划的研究目标，在国内外重要学术期刊和国际学术会议上发表论文16篇，包括：SCI收录论文10篇（其中IEEE汇刊2篇），EI收录论文5篇（均标注本基金资助）。参加了2018年8月29-31日在华沙举行的the 10th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety for Technical Processes会议，并在会上宣读了论文。协助培养硕士研究生3名。超额完成了项目的预期成果。本课题的研究有助于解决传统方法无法处理的闭环系统故障诊断问题，已取得的成果可以为闭环系统的分析与运行安全性提供新的研究方法。