بخشی از مقاله
چکیده
در قسمتهای مختلفی از یک سیستم تحت کنترل از جمله در عملگر آن احتمال دارد که عیبی رخ دهد. تشخیص، شناسایی و تفکیک عیب مساله اساسی در بسیاری از کنترلکنندههای تحمل پذیر در برابر عیب میباشند. روشهای زیادی برای این-کار وجود دارد از جمله مهمترین و پرکاربردترین آنها تکنیکهای مبتنی بر رویتگر میباشند. در آشکارساز عیب مبتنی بر رویتگر، یک رویتگر مرتبه کامل یا کاهش داده شده برای تولید سیگنال باقیمانده استفاده شده است. از طرفی طراحی آشکارساز عیب با مسئله کنترل فیدبک حالت معادل می شود، چرا که یک رابطه دو طرفه بین طراحی رویتگر و کنترل کننده فیدبک حالت وجود دارد. در این تحقیق با استفاده از رویتگرهای تطبیقی مسئله جداسازی عیب عملگر برای کلاسی از سیستم های خطی مورد توجه واقع شده است. سپس شرایط جداسازی عیب عملگر برای حالتی که همه حالتها اندازهگیری میشوند و نیز حالتی که فقط خروجی در دسترس است بهدست خواهد آمد.
-1 مقدمه
در شرایط نرمال کاری، سیستم های کنترل می توانند عملکرد مطلوب را تامین نمایند ولی وقتی عیب یا نقصی در سیستم رخ می دهد، حفظ شرایط کاری نرمال برای سیستم امری لازم و اغلب حیاتی است. همچنین در هر حال کنترل کننده طراحی شده باید پایداری سیستم حلقه بسته را تضمین نماید. در یک سیستم تشخیص عیب - FDI - ، نوع، محل و اندازه آنرا در سیستم مدنظر آشکار می-کند .1[] معمولاً یک FDI شامل سه مرحله میباشد: آشکار سازی عیب، تفکیک عیب و شناسایی عیب. یک عیب در سیستم دینامیکی میتواند به صورتهای مختلفی رخ دهد از قبیل عیبهای عملگر، حسگر، تغییرات شدید غیر منتظره در بعضی از پارامترها یا حتی تغییرات ساختاری غیر منتظره .[2]
هدف از آشکار سازی عیب، ایجاد هشداری است که از وضعیتی آگاهی میدهد که حداقل یک عیب در سیستم وجود رخ داده است. این امر میتواند از طریق مشاهده مستقیم توان ورودی و توان خروجی سیستم یا با استفاده از انواع سیگنالهای باقیمانده - یعنی روشهای تحلیلی - به دست آید. مرحله تفکیک عیب، محل عیبها را نشان میدهد، که حسگر یا عملگر کدامیک معیوب هستند. شناسایی کاری بسیار سخت است چراکه به یک تخمین موقعیت و اندازه عیب نیاز دارد .[2][3] فرآیند تشخیص، تفکیک و شناسایی عیب به FDI مشهور است. بسیاری از سیستمهای عملی فقط شامل مراحل تشخیص و تفکیک عیب میباشند.
یک رویکرد قدیمی برای تشخیص عیب، روش سخت افزاری است که متغیر خاصی با استفاده از چندین حسگر اندازه-گیری میشود. مشکلات متعددی در روش تشخیص عیب مبتنی بر سخت افزار وجود دارد [4] از آن جمله: لزوم استفاده از تجهیزات اضافی، هزینه و فضای اضافی مورد نیاز برای نصب این تجهیزات اضافی. افزونگی تحلیلی، رویکرد متفاوتی در مقایسه با افزونگی سخت افزاری است .[5] محدوده وسیعی از رویکردهای تشخیص عیب مبتنی بر افزونگی تحلیلی وجود دارد از آن رو میتوان به تکنیکهای مبتنی بر مدل، متودولوژیهای مبتنی بر دانش و تکنیکهای مبتنی بر سیگنال، اشاره کرد .[6]
بعنوان مثال در یک هواپیما، افزونگی سخت افزاری به طور گسترده استفاده میشود. مثلاً اندازهگیریهای انجام شده توسط حسگرهای متعدد، برای تشخیص عیب با همدیگر مقایسه میشوند. بعبارت دیگر، اندازهگیریهای انجام شده در تکنیک FDI مبتنی بر مدل، با مقادیر تحلیلی محاسبه شدهی مربوطه به آن مقایسه میشوند. تفاوت نتیجه شده "باقیمانده" - Residual - نامیده میشود، که عیب رخداده را آشکار میکند. معمولاً فضای [7] Parity، روشهای مبتنی بر رویتگر و یا تکنیک های تخمین پارامتر برای ایجاد سیگنال باقیماندهی مبتنی بر مدل استفاده میشوند .[8]
در سالهای اخیر تعداد زیادی از روشها برای FDI مقاوم - Robust - توسعه داده شدهاند نظیر: FDI مقاوم مبتنی بر رویتگر .[10][9][2] رویتگرهای ورودی ناشناخته [13][12][11] و تخصیص ساختار ویژه .[15][14] پرکاربردترین روش در نظر گرفته شده برای ایجاد سیگنال باقیمانده رویتگرها هستند. ایده اساسی، ابتدا تخمین خروجی سیستم از روی اندازهگیریها با استفاده از رویتگر بوده و سپس ایجاد سیگنال باقیمانده از روی خطاهای تخمین خروجی میباشد. بطوریکه اغتشاشات ناشناخته و نامعینیهای سیستم تحت کنترل، روی سیگنالهای باقیمانده تاثیر نداشته و هشدارهای غلط ایجاد نشود. این مسئله در علم FDI به تشخیص عیب مقاوم مشهور است.
در مرجع [16] کلاس خاصی از سیستمهای غیرخطی به منظور FDI بررسی شده است. سیستم غیرخطی مورد بحث می تواند به 2 زیر سیستم متفاوت تبدیل شود. یک زیر سیستم از فرم رویتگر کانونیکال تطبیقی استفاده کرده است و زیر سیستم دیگر متاثر از عیبهای عملگر میباشد. با کمک تکنیک تخمین حالتها و نیز پارامترهای نامعین، عیبها تقریبا تخمین زده میشوند. عیوب تخمین زده شده میتوانند برای تشخیص و شناسایی محل عیب استفاده گردند.
در سالهای اخیر استراتژی FDI مبتنی بر رویتگرهای مدلغزشی - SMO - که از تکنیک کنترل مدلغزشی نشات گرفته شده است توسعه داده شدهاند[17][14][18] نقطه قوت یک SMO در این است که نامعینیها و اغتشاشات خطاهای تخمین خروجی بین سیستم تحت کنترل و SMO میتواند به سمت صفر برده شود، طوریکه سیستم در روی سطح لغزش قرار گیرد. هنگامیکه یک عیب رخ می دهد، لغزش موجب میشود سیگنال هشداری مبنی بر رخداد عیب ایجاد گردد بنابراین SMO ها برای FDI های مقاوم سودمند هستند.
کارهای زیادی مبتنی بر رویتگرها برای تشخیص عیب انجام شدهاند .[21][20][2][19] برای سیستمهای معین ایدهی اصلی پشت این روش، استفاده از یک رویتگر برای تخمین خروجیهای سیستم از روی اندازه گیریهای انجام شده توسط رویتگر لیونبرگر است. در این حالت خطای تخمین خروجی میتواند به عنوان سیگنال باقی مانده فرض شود. هنگامی که یک عیب با موفقیت تشخیص داده میشود، محلش باید یافته شود. این وظیفه جداساز عیب میباشد و برای یک جبران ساز عیب بسیار حیاتی است و نتایج بسیاری از آشکار سازهای عیب، در مقایسه با جداسازهای عیب گزارش شده است. که در مراجع .[7][24][19][23][8][22] به طور کامل اشاره شده است.
برای جداسازی عیوب دو طرح مبتنی بر بانکهای رویتگر پیشنهاد شده است. یکی از اینها طرح رویتگر جداساز نامیده میشود که در [20] پیشنهاد شده است. در این طرح برای جداسازی یک عیب از میان N عیب ممکن، N رویتگر، N سیگنال باقی مانده ایجاد میکنند و i امین سیگنال باقیمانده فقط به i امین عیب حساس است. این طرح میتواند عیوب متعددی را تشخیص و جداسازی نماید و در برابر نامعینیهای پارامتری مقاوم است اما نه در برابر ورودیهای ناشناخته. این طرح می-تواند فقط برای تشخیص و جداسازی یک سیگنال عیب استفاده شود .[25]
طرح دیگری موسوم به طرح رویتگر گسترش یافته [19] است. در این روش N رویتگر، N سیگنال باقیمانده را ایجاد می-کند بنابراین i امین سیگنال باقیمانده به i امین عیب حساس است در این روش، طراحی رویتگر، برای افزایش مقاومت در برابر تغییرات پارامتری یا ورودیهای ناشناخته در سیستم، دارای آزادی عمل بیشتری میباشد. در مرجع [26] روشی پیشنهاد شده که میتواند برای جداساز مقاوم عیب عملگر استفاده شود. برای اعمال این طرح همه حالتها باید در دسترس بوده و شناخته شده باشند.
در مرجع [2] روشی برای تشخیص و جداسازی عیب معرفی شده که عیبها میتوانند توسط ایجاد یک ماتریس پارامترهای ناشناخته به همراه ورودی سیستم بازنویسی گردند. برای بدست آوردن تخمین دقیق پارامترها سیگنال تحریک باید مناسب باشد. در مرجع [27] یک طرح جداسازی عیب عملگر مقاوم و تطبیقی معرفی شده است. این طرح میتواند هنگامی که حالتها در دسترس بوده یا فقط خروجی در دسترس میباشد مورد استفاده واقع شود.
در این مقاله استفاده از رویت گر های سازگار و عملگر ثابت مشکلات تفکیک عیب برای گروهی از سیستم های طولی هواپیما مورد بررسی قرار گرفته اند. شرایط کافی برای تفکیک عیب در مورد همه حالتها و درموردی که فقط انرژی خروجی در دسترس باشد در نظر گرفته شده است. بر اساس مدل هواپیمای غیر نظامی - RCAN - ، شبیه سازی ها انجام شده اند تا کارآیی روندها را در آشکار سازی و تفکیک عیب عملگر هواپیما نشان دهند.
-2 تفکیک عیب عملگر با رویتگرهای سازگار
در این بخش، روندهای تفکیک عیب عملگر برای گروهی از سیستمهای طولی در نظر گرفته شدهاند . دو مورد، مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. یکی اینکه همهی حالتها در دسترس هستند. مورد بعدی اینکه فقط انرژی خروجی در دسترس است. شرایط موثر برای تفکیک عیب عملگر برای هر دو مورد ارائه شده است.
مورد اول: بردار حالت، قابل اندازه گیری است.
سیستم طولی زیر را در نظر بگیرید : معادله - 1 - که بردار حالت است، انرژی خروجی عملگرها با بردار توان ورودی است، ماتریس B، ماتریس توزیع عملگر ها است. در این فصل، فرض شده که عیبهای عملگر میتوانند روی دهند را برای و تعریف کنید و انرژی خروجی عیب رخ رخ داده در عملگر j ام است که و انرژی خروجی عملگر سالم j ام است.
نکته: در سیستمهای کنترل هواپیما، عیبهای عملگر ثابت اغلب روی میدهند. در این مقاله، ما مشکل تشخیص و تفکیک عیب را در نظر گرفتهایم .[28] - مطلوب است رویتگری را بر اساس روندی طراحی کنیم که عیب عملگر معیوب را در زمان روی دادن عیب، تفکیک کند.
