[发明专利]一种基于区间运算的故障检测阈值计算方法

说明书

本发明公开了一种基于区间运算的故障检测阈值计算方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、用向量区间来描述初始状态估计误差、扰动向量、测量噪声不确定性的范围；步骤二、利用误差动态方程以及区间运算的性质推导得到无故障时状态估计误差所处的向量区间；步骤三：根据残差和状态估计误差的关系计算出无故障时残差所处的向量区间作为阈值。该方法能够根据初始状态估计误差、扰动向量和测量噪声的范围自动生成用于故障检测的动态阈值，能够准确的计算出无故障时残差各分量的阈值，并利用这些阈值实现对所给系统进行故障检测的目的。

技术领域

本发明属于故障检测领域，涉及一种故障检测阈值计算方法，具体涉及一种基于区间运算的故障检测阈值计算方法。

背景技术

在实际工业生产中，仪器设备等系统发生故障往往会造成严重的损失。能够及时的检测出系统发生的故障成为故障诊断领域重点关注的方向。目前广泛应用的故障检测方法包括基于模型的方法、基于数据的方法以及基于经验的方法。基于模型的故障检测方法要求系统模型已知，因其受主观影响小，检测结果准确率高，对实际测量数据量要求较低而倍受关注。在基于模型的故障检测方法中，基于观测器的故障检测是最为常用的方法。基于观测器的故障检测的基本思想是利用观测器估计无故障时的系统输出信号，然后将输出的估计值与实际输出相比较，得到能够反映故障的残差信号。在理想情况下，如果残差不为零，则表示发生故障。但是，由于系统模型收到初始时刻状态不确定、过程扰动和测量噪声的影响，无故障时残差也不为零，因此需要设置一个阈值来区别故障与不确定性的影响。在故障检测过程中，阈值的设计非常重要：阈值设置得过大会增加漏报率，阈值设置得太小则会增加虚警率。因此，如何评价不确定性对残差的影响并且设置一个合理的阈值是故障检测的一个重要环节。但是，目前在阈值设计方面的研究成果很少。传统的阈值设计方法主要是依赖设计者的经验。

利用向量区间来描述不确定是一种用来表示不确定性边界的描述方法。利用分别表示n维和m×n维欧式空间，给定向量区间的端点向量和则向量区间定义为：

式中，下标i表示对应向量的第i个分量。

对于向量区间中的向量端点x即为向量x的上、下边界，满足如下区间运算性质：

式中，A⁺＝max(A,0)，A^-＝A⁺-A。

发明内容

为了解决现有故障检测阈值设计依赖于设计者经验的问题，本发明提供了一种系统、有效的基于区间运算的故障检测阈值计算方法，该方法能够根据初始状态估计误差、扰动向量和测量噪声的范围自动生成用于故障检测的动态阈值，能够准确的计算出无故障时残差各分量的阈值，并利用这些阈值实现对所给系统进行故障检测的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于区间运算的故障检测阈值计算方法，包括如下步骤：

步骤一、用向量区间来描述初始状态估计误差、扰动向量、测量噪声不确定性的范围，具体步骤如下：

对于如下的线性连续时不变系统：

式中，分别是t时刻系统的状态向量、测量向量、扰动向量和测量噪声向量，n_x、n_y、n_w、n_v分别为x(t)、y(t)、w(t)、v(t)的维数，A、B、C、D₁、D₂为具有合适维度的常数矩阵；

利用向量区间来描述初始状态估计误差、扰动向量、测量噪声不确定性的范围：