基于观测器的倒立摆系统最优故障检测设计--学士学位论文.doc

南通大学毕业设计(论文) 2013年06月 摘 要 倒立摆系统具有很强代表性，其系统结构与双足机器人检测系统，火箭飞行检测系统和各类伺服系统类似.以倒立摆为对象，开展最优故障检测设计研究具有重要意义. 所谓最优故障检测，即寻找一个最佳方法来权衡故障灵敏度和模型不确定鲁棒性。 首先，对最优故障检测方法进行了深入的研究,确定了进行设计的前提条件。然后，针对倒立摆系统建立其机理模型。进一步的，在得出开环系统模型之后，由于系统不稳定性，所以采用极点配置方法来进行闭环反馈控制。最后，搭建闭环仿真模型，确定模型的正确性和准确性，实现基于观测器的倒立摆系统的最优故障检测的目的。 关键词：倒立摆，最优故障检测，故障灵敏度，极点配置 ABSTRACT Inverted pendulum system and biped robot, rocket, detection systems and various types of servo systems are very similar, therefore, observer based optimal fault detection design of r inverted pendulum system is of great significance. The core of the optimal fault detection is to make a trade off between fault sensitivity and robustness of model uncertainty. First, the optimal fault detection method is conducted in-depth and the design prerequisite is determined. Then, according to the mechanism of inverted pendulum system, the open loop model is established. Furthermore, due to the instability of the system, pole placement method is employed to make the system stable. Finally, simulation is used to determine the correctness and accuracy of the model, and the effectiveness of the observer-based optimal fault detection method is verified. Key words: inverted pendulum, optimal fault detection, fault sensitivity, pole placement 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1.1 课题背景及意义 1 1.1.1 课题背景 1 1.1.2 意义及主要应用 1 1.2 倒立摆系统研究现状 2 1.3 故障检测方法研究的现状 3 1.4 本论文主要研究内容及章节安排 4 第二章 最优故障检测方法 6 2.1 故障灵敏度 6 2.2 系统描述 7 2.2.1 过程模型 7 2.2.2 残差产生器 7 2.3 预备知识 9 2.4 问题描述 9 2.5 两个定理 10 2.6 基于状态空间的故障检测滤波器 13 第三章 倒立摆故障检测系统建模 16 3.1 倒立摆系统 16 3.1.1 倒立摆系统组成 16 3.1.2 四个多变量 17 3.2 非线性系统模型 17 3.3 模拟系统 18 3.4 LCF的一般模型 19 3.4.1 模型不定量 20 3.4.2 模拟故障 20 3.5 闭环模型 21 3.5.1 观测器 21 3.5.2 干扰补偿的状态反馈控制器 21 3.6 极点配置 22 第四章 仿真 24 4.1 简介 24 4.1.1 简介 24 4.1.2 简介 24 4.2 倒立摆故障检测系统仿真 25 4.2.1 倒立摆故障检测系统相关数据 25 4.2.2 搭建模型 26 4.3 仿真结果 26 第五章 总结和展望 31 5.1 总结 31 5.2 展望 31 致谢 33 参考文献 1 1.1 课题背景及意义 1.1.1 课题背景 站立在二十一世纪的今天，经济贸易全球化、信息流动全球化、文化交流全球化和生产制造全