[发明专利]一种含有故障的间隙三明治系统的状态估计方法

说明书

本发明公开了一种含有故障的间隙三明治系统的状态估计方法，首先利用关键分离原则和切换函数，由简单到复杂，借鉴已构建的带死区、间隙的三明治状态空间方程，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；其次，根据构建非光滑状态空间方程，当系统满足观测器存在条件时，构建能随系统工作区间变化而切换的切换比例积分观测器。本方法的优点是：通过引入切换函数更准确地描述该类系统；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估计系统的状态和故障。

技术领域

本发明属于非线性系统的状态估计领域，特别涉及一种含有故障的间隙三明治系统的状态估计方法。

背景技术

间隙通常存在于齿轮机械传动系统、电动阀、数字电路、传感器、液压系统中。例如齿轮传动系统中，轮齿之间的齿侧空隙就会产生间隙现象。在实际应用中，间隙并不是单独存在的，而是夹在其他环节之间，即间隙非线性是夹在两个线性动态子系统之间，该系统能够描述为间隙三明治系统。在机械和电子系统中常常发生故障。故障的存在就可能导致系统恶化、振动、振荡、甚至不稳定因此。因此，在实际中的控制器设计和故障容错控制中，准确估计系统的状态和故障就显得尤为重要的。

针对特定系统构造相应的观测器一直都是控制工程领域的一个研究热点。自在本世纪70年代D.J.Luenberger提出著名的Luenberger观测器以来，对于线性定常系统观测器的设计理论和方法就已成熟。但对于非线性系统却不同，首先，非线性系统的能观性是一个局部特性；其次，线性系统的能观性与系统输入无关，只取决于系统本身的结构，而非线性系统的能观性不但与系统结构有关，同时还与系统输入有关。正是由于非线性系统的复杂性，对于非线性系统我们很难找到一个统一的观测器构造方法，往往是针对某一类非线性系统构造一类特定的观测器。例如，2017年柳晨光等针对一个离散系统，提出了一个基于状态补偿的扩张状态观测器，实现了更精确的估计状态和抑制干扰。2014年Soken H E提出了一个鲁邦卡尔曼滤波方法，在测量系统含有故障的情况下，对航天器姿态进行估计。2015年Efimov D等对于一类时间延时的线性系统设计了一个内模观测器，当从故障输入到误差的传递函数满足规定的H∞范数，对于动态估计误差稳定的系统。

中国专利CN105204332B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，尚未发现同时估计含有故障的间隙三明治系统的专利及文献。本发明提出了一种新的切换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。系统的状态和故障估计可用于将来系统控制和故障容错控制。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明公开了一种基于切换比例积分观测器的针对含有故障的间隙三明治系统的状态估计方法，该方法提出的切换比例积分观测器包含了能随系统工作区间变化的切换向量，与传统的观测器比较，采用该方法的观测器能更准确地估计系统的状态和故障。

实现本发明目的的技术方案是：

一种含有故障的间隙三明治系统的状态估计方法，包含如下步骤：

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；

步骤2：根据步骤1构建含故障的间隙三明治系统的非光滑状态空间方程，当系统满足观测器的存在性条件时，构造能随含有故障的间隙三明治系统工作区间变化而自动切换的切换比例积分观测器，并给出相应切换比例积分观测器的存在条件和有界性定理。