CN111674266A - 一种悬浮控制系统的状态监测方法、系统及相关装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种悬浮控制系统的状态监测方法，包括：获取悬浮控制系统的输入数据和输出数据；根据输入数据确定对应的模型分子分母阶数和悬浮控制系统的闭环传递函数；根据闭环传递函数计算开环传递函数；根据开环传递函数和初始控制器传递函数确定被控对象的传递函数；根据被控对象的传递函数和第一预设公式确定间隙度量；根据间隙度量对应的区间确定悬浮控制系统的健康状态。本申请将被控对象传递函数与最初系统的被控对象传递函数之间的间隙度量作为系统的健康指标，从而实现健康监测，避免列车无法运行、严重的经济损失和高额的维修费用。本申请还提供一种悬浮控制系统的状态监测系统、计算机可读存储介质和电子设备，具有上述有益效果。

Description

一种悬浮控制系统的状态监测方法、系统及相关装置

技术领域

本申请涉及电子设备安全领域，特别涉及一种悬浮控制系统的状态监测方法、系统及相关装置。

背景技术

悬浮系统是磁悬浮列车的核心系统之一。如果悬浮系统发生故障，轻则导致列车无法运行，重则导致严重的经济损失和维修费用。系统故障并不是系统完全无法运行，而是系统的性能不在理想范围内。

为了解决这个问题，需要进行故障预测与健康管理。目前绝大多数的故障预测与健康管理是对系统进行异常检测、健康监测、故障诊断、故障预测和健康管理等，其中健康监测技术主要是采用控制系统的性能指标中确定性指标、鲁棒性指标和随机性指标监测系统的性能。

现有的绝大多数故障预测与健康管理技术只是起到监测和预测系统状态的作用，并没有在系统性能退化过程中采取相应的措施延长系统的剩余使用寿命。其次，通过改变控制参数来延长系统剩余使用寿命的控制策略需要重复的更改控制器参数和下载程序到控制板，甚至找不到较好的控制器参数，这会导致需要花费大量的工作量和时间，直接导致监测力度差、性能不佳。

发明内容

本申请的目的是提供一种悬浮控制系统的状态监测方法、系统、计算机可读存储介质和电子设备，能够实现对悬浮控制系统的健康监测。

为解决上述技术问题，本申请提供一种悬浮控制系统的状态监测方法，具体技术方案如下：

获取所述悬浮控制系统的初始输入输出数据，并根据所述初始输入输出数据确定所述悬浮控制系统的闭环传递函数；

根据所述闭环传递函数计算开环传递函数，根据所述开环传递函数和初始控制器传递函数确定被控对象的初始传递函数；

获取所述悬浮控制系统的最新输入输出数据，并根据所述最新输入输出数据确定所述悬浮控制系统的当前闭环传递函数；

根据所述当前闭环传递函数计算当前开环传递函数，根据当前开环传递函数和所述初始控制器传递函数确定被控对象的最新传递函数；

确定所述被控对象的初始传递函数和所述最新传递函数之间的间隙度量；

根据所述间隙度量对应的区间确定所述悬浮控制系统的健康状态。

可选的，还包括：

当所述间隙度量超过警戒阈值时，调节控制器传递函数。

可选的，调节控制器传递函数包括：

利用通用传递函数中的优化参数调节控制器传递函数；

其中，所述通用传递函数为

其中，k_p是所述优化参数中的比例增益，k_i是所述优化参数中的积分增益，k_d是所述优化参数中的微分增益。

可选的，还包括：

确定所述比例增益、所述积分增益和所述微分增益的取值区间。

可选的，确定所述比例增益、所述积分增益和所述微分增益的取值区间包括：

若优化后的控制器传递函数K'(s)为

其中k'_p为优化的比例增益，k_i'为优化的积分增益，k'_d为优化的微分增益时，

对应的，优化后的开环传递函数G'(s)为

通过预设公式计算出k'_p，k_i'，k'_d的取值区间；

所述预设公式为

其中η是调整阈值；

分别以k'_p，k_i'，k'_d为坐标轴，以k'_p，k_i'，k'_d的范围构造几何图形的几何中心为优化后的最优参数。

可选的，确定所述比例增益、所述积分增益和所述微分增益的取值区间包括：

采用智能优化算法或者蒙特卡洛采样法确定所述比例增益、所述积分增益和所述微分增益的取值区间。

本申请还提供一种悬浮控制系统的状态监测系统，包括：

第一数据获取模块，用于获取所述悬浮控制系统的初始输入输出数据，并根据所述初始输入输出数据确定所述悬浮控制系统的闭环传递函数；

第一计算模块，用于根据所述闭环传递函数计算开环传递函数，根据所述开环传递函数和初始控制器传递函数确定被控对象的初始传递函数；

第二数据获取模块，用于获取所述悬浮控制系统的最新输入输出数据，并根据所述最新输入输出数据确定所述悬浮控制系统的当前闭环传递函数；

第二计算模块，用于根据所述当前闭环传递函数计算当前开环传递函数，根据当前开环传递函数和所述初始控制器传递函数确定被控对象的最新传递函数；

间隙计算模块，用于确定所述被控对象的初始传递函数和所述最新传递函数之间的间隙度量；

状态监测模块，用于根据所述间隙度量对应的区间确定所述悬浮控制系统的健康状态。

可选的，还包括：

调节模块，用于当所述间隙度量超过警戒阈值时，调节控制器传递函数。

本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法的步骤。

本申请还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如上所述的方法的步骤。

本申请提供一种悬浮控制系统的状态监测方法，包括：获取悬浮控制系统的初始输入输出数据，并根据初始输入输出数据确定悬浮控制系统的闭环传递函数；根据闭环传递函数计算开环传递函数，根据开环传递函数和初始控制器传递函数确定被控对象的初始传递函数；获取悬浮控制系统的最新输入输出数据，并根据最新输入输出数据确定悬浮控制系统的当前闭环传递函数；根据当前闭环传递函数计算当前开环传递函数，根据当前开环传递函数和初始控制器传递函数确定被控对象的最新传递函数；确定被控对象的初始传递函数和最新传递函数之间的间隙度量；根据间隙度量对应的区间确定悬浮控制系统的健康状态。

本申请通过对退化中系统的开环传递函数做等效处理，然后计算被控对象传递函数与最初系统的被控对象传递函数之间的间隙度量，并以此作为系统的健康指标，从而实现健康监测，避免列车无法运行、严重的经济损失和高额的维修费用。本申请还提供一种悬浮控制系统的状态监测系统、计算机可读存储介质和电子设备，具有上述有益效果，此处不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种悬浮控制系统的状态监测方法的流程图；

图2为本申请所提供的传统闭环控制系统示意图；

图3为本申请实施例所提供的一种悬浮控制系统的状态监测系统结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种悬浮控制系统的状态监测方法的流程图，该方法包括：

S101：获取悬浮控制系统的初始输入输出数据，并根据初始输入输出数据确定悬浮控制系统的闭环传递函数；

S102：根据闭环传递函数计算开环传递函数，根据开环传递函数和初始控制器传递函数确定被控对象的初始传递函数；

本步骤需要根据S101中获取的初始输入输出数据进行传递函数识别。在此对于如何确定模型分子分母阶数以及对应的闭环传递函数不做具体限定，可以直接将输入数据导入MATLAB，利用其中的System Identification App软件实现传递函数识别，还可以采用其他传递函数辨识方法，在此不一一举例限定。

为了更清楚的对本申请提供的状态监测方法进行说明，下文采用相关代数式和数学表达式加以说明：

如图2所示，图2为本申请所提供的传统闭环控制系统示意图，传统的控制系统主要由控制器和被控对象组成，控制器退化或被控对象退化都会导致系统性能退化。

在初始时刻系统的传递函数G₀为

G₀(s)＝K₀(s)P₀(s) (1)

系统的闭环传递函数T₀为

其中，K₀(s)为初始控制器传递函数，P₀(s)为初始被控对象的传递函数，自变量s为拉普拉斯函数中的变量。

令K(s)为退化过程中控制器的输出，P(s)为退化过程中被控对象的输出，则此时的开环传递函数G(s)为G(s)＝K(s)P(s) (3)

此时系统的闭环传递函数T(s)为

一般地，故障可能是系统内部一些参数的变化，也可能是局部结构的变化。因此从鲁棒的角度来看，就是系统变化，表现出来就是系统的不确定性。按照通常的度量，一个系统由稳定变成了不稳定是一个巨大的故障，那么对应的开环传递函数变化很大。根据公式(1)和(3)可知，如果K(s)或P(s)变化很大，那么对应的开环传递函数变化很大。然而，根据公式(2)和(4)可知，即使K(s)或P(s)变化很大，闭环传递函数的变化很小。这说明开环传递函数比闭环传递函数更能反映系统的变化。因此本申请实施例利用开环传递函数的变化代替闭环传递函数的变化，可以准确获取两个系统之间的距离。

S103：获取悬浮控制系统的最新输入输出数据，并根据最新输入输出数据确定悬浮控制系统的当前闭环传递函数；

本步骤需要获取系统的最新输入输出数据，而步骤S101中实际为历史运行数据。需要注意的是，在需要确认悬浮控制系统的健康状态时，那一时刻对应的系统的输入输出数据即为最新输入输出系统。

S104：根据当前闭环传递函数计算当前开环传递函数，根据当前开环传递函数和初始控制器传递函数确定被控对象的最新传递函数；

本步骤实际上需要计算最新输入输出数据对应的最新传递函数。其计算过程与步骤S101和S102中相同，在两个传递函数的计算过程中，均采用了初始控制器传递函数，而初始控制器传递函数为悬浮控制系统中的已知量。

为了解决控制器退化带来的影响，计算得到当前开环传递函数之后，根据当前开环传递函数和初始控制器传递函数确定被控对象的最新传递函数之前，可以对开环传递函数做等效处理。具体的，可以令退化过程中控制器的输出K(s)定义为

K(s)＝λK₀(s)+ε (5)

其中，λ为与时间有关的函数，且λ＝1表示控制器没有退化，λ＝0表示控制器完全故障，ε为噪声。同理，P(s)定义为

P(s)＝μP₀(s)+θ (6)

其中，μ为与时间有关的函数，且μ＝1表示被控对象没有退化，μ＝0表示被控对象完全故障，θ为噪声。

此时，系统的开环传递函数G(s)为

G(s)＝K(s)P(s)＝K₀(s)P₀(s)(λ+ε/K₀(s))(μ+θ/P₀(s)) (7)

令W(s)＝P₀(s)(λ+ε/K₀(s))(μ+θ/P₀(s))，则退化中的系统的开环传递函数可以表示为

G(s)＝K₀(s)W(s) (8)

此时，W(s)可以等效为被控对象的传递函数。也就是说，退化中的系统的开环传递函数等于最初的控制器传递函数与等效的被控对象传递函数的乘积。由于K₀(s)是已知的，只需要获得开环传递函数G(s)就能计算出等效的被控对象传递函数W(s)。

S105：确定被控对象的初始传递函数和最新传递函数之间的间隙度量；

S106：根据间隙度量对应的区间确定悬浮控制系统的健康状态。

间隙度量用于量化闭环性能的质量。在控制模型中，对于任意的控制器K，被控对象P和P1的间隙度量的表达式可以为

此外，对于同一个控制器K，被控对象P和P1的间隙度量越小，它们之间的性能越接近。因此，在不设计控制器的情况下，这个测量方法可以量化和比较两个闭环系统之间的性能。也就是说，在不改变控制器的情况下，可以量化和比较两个闭环系统的被控对象之间的差异性。但是实际应用中控制器存在退化，这很可能导致测量结果不准确。

获得W(s)后，通过间隙度量的表达式即公式(9)计算出当前系统的被控对象传递函数与最初系统的被控对象传递函数之间的间隙度量，并以此作为系统的健康指标。通常，间隙度量越小，悬浮控制系统越健康。在得到间隙度量时，通常可以根据其值所在的区间确定当前悬浮控制系统的健康状态，当然容易理解的是，默认此前需要针对间隙度量不同区间设置对应的健康状态，以便在得到间隙度量后可以直接确定当前悬浮控制系统的健康状态。当然，容易理解的是，间隙度量与健康状态之间的对应关系应由本领域技术人员根据实际悬浮控制系统的状态作预先设定，以便后续在得出间隙度量时可直接确定悬浮控制系统的健康状态。

本申请实施例通过对退化中系统的开环传递函数做等效处理，然后计算被控对象传递函数与最初系统的被控对象传递函数之间的间隙度量，并以此作为系统的健康指标，从而实现健康监测，避免列车无法运行、严重的经济损失和高额的维修费用。

在上述实施例的基础上，作为优选的实施例，还可以包括如下步骤：

当所述间隙度量超过警戒阈值时，调节控制器传递函数。

在此对于如何调节控制器传递函数不做具体限定，可以利用通用传递函数中的优化参数调节控制器传递函数，具体的，通用传递函数为

其中，k_p是所述优化参数中的比例增益，k_i是所述优化参数中的积分增益，k_d是所述优化参数中的微分增益。

进一步的，通常还需要确定比例增益、积分增益和微分增益的取值区间。在此对于如何确定各项增益的取值区间不做限定，可以通过预设公式，也可以采用智能优化算法，包括但不限定于粒子群算法、遗传算法、布谷鸟算法、烟花算法等，或者蒙特卡洛采样法确定比例增益、积分增益和微分增益的取值区间。

下文对通过预设公式确定各项增益的取值区间进行说明：

当优化后的控制器传递函数K'(s)为

其中k'_p为优化参数中的比例增益，k_i'为优化参数中的积分增益，k'_d为优化参数中的微分增益时，对应的，优化后的开环传递函数G'(s)为

可以通过预设公式计算出k'_p，k_i'，k'_d的取值区间；

预设公式为

其中η是调整阈值，在此不做具体限定，应由本领域技术人员根据实际应用情况做相应的设定。

此外，为了避免k'_p，k_i'，k'_d出现极端化现象，还可以以k'_p，k_i'，k'_d为坐标轴，将以k'_p，k_i'，k'_d的范围构造几何图形的几何中心作为最优参数，即该几何中心对应的k'_p，k_i'，k'_d为最优的优化参数。

随着时间不断推移，系统中控制器和被控对象引起系统结构发生变化，导致退化中的系统和最初系统之间的间隙度量也不断增加。通常上述方法对各项增益进行优化，可以将系统的性能保持在理想状态。

下面对本申请实施例提供的一种悬浮控制系统的状态监测系统进行介绍，下文描述的状态监测系统与上文描述的状态监测方法可相互对应参照。

参见图3，图3为本申请实施例所提供的一种悬浮控制系统的状态监测系统结构示意图，本申请还提供一种悬浮控制系统的状态监测系统，包括：

第一数据获取模块100，用于获取所述悬浮控制系统的初始输入输出数据，并根据所述初始输入输出数据确定所述悬浮控制系统的闭环传递函数；

第一计算模块200，用于根据所述闭环传递函数计算开环传递函数，根据所述开环传递函数和初始控制器传递函数确定被控对象的初始传递函数；

第二数据获取模块300，用于获取所述悬浮控制系统的最新输入输出数据，并根据所述最新输入输出数据确定所述悬浮控制系统的当前闭环传递函数；

第二计算模块400，用于根据所述当前闭环传递函数计算当前开环传递函数，根据当前开环传递函数和所述初始控制器传递函数确定被控对象的最新传递函数；

间隙计算模块500，用于确定所述被控对象的初始传递函数和所述最新传递函数之间的间隙度量；

状态监测模块600，用于根据所述间隙度量对应的区间确定所述悬浮控制系统的健康状态。

基于上述实施例，作为优选的实施例，还可以包括：

调节模块，用于当所述间隙度量超过警戒阈值时，调节控制器传递函数。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本申请还提供了一种电子设备，可以包括存储器和处理器，所述存储器中存有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时，可以实现上述实施例所提供的步骤。当然所述电子设备还可以包括各种网络接口，电源等组件。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例提供的系统而言，由于其与实施例提供的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种悬浮控制系统的状态监测方法，其特征在于，包括：

获取所述悬浮控制系统的初始输入输出数据，并根据所述初始输入输出数据确定所述悬浮控制系统的闭环传递函数；

根据所述闭环传递函数计算开环传递函数，根据所述开环传递函数和初始控制器传递函数确定被控对象的初始传递函数；

获取所述悬浮控制系统的最新输入输出数据，并根据所述最新输入输出数据确定所述悬浮控制系统的当前闭环传递函数；

根据所述当前闭环传递函数计算当前开环传递函数，根据当前开环传递函数和所述初始控制器传递函数确定被控对象的最新传递函数；

确定所述被控对象的初始传递函数和所述最新传递函数之间的间隙度量；

根据所述间隙度量对应的区间确定所述悬浮控制系统的健康状态。

2.根据权利要求1所述的状态监测方法，其特征在于，还包括：

当所述间隙度量超过警戒阈值时，调节控制器传递函数。

3.根据权利要求1所述的状态监测方法，其特征在于，调节控制器传递函数包括：

利用通用传递函数中的优化参数调节控制器传递函数；

其中，所述通用传递函数为

其中，k_p为所述优化参数中的比例增益，k_i为所述优化参数中的积分增益，k_d为所述优化参数中的微分增益。

4.根据权利要求3所述的状态监测方法，其特征在于，还包括：

确定所述比例增益、所述积分增益和所述微分增益的取值区间。

5.根据权利要求4所述的状态监测方法，其特征在于，确定所述比例增益、所述积分增益和所述微分增益的取值区间包括：

若优化后的控制器传递函数K'(s)为

其中k'_p为优化的比例增益，k'_i为优化的积分增益，k'_d为优化的微分增益时，

对应的，优化后的开环传递函数G'(s)为

通过预设公式计算出k'_p，k'_i，k'_d的取值区间；

所述预设公式为

其中η是调整阈值；

分别以k'_p，k'_i，k'_d为坐标轴，以k'_p，k'_i，k'_d的范围构造几何图形的几何中心为优化后的最优参数。

6.根据权利要求4所述的状态监测方法，其特征在于，确定所述比例增益、所述积分增益和所述微分增益的取值区间包括：

采用智能优化算法或者蒙特卡洛采样法确定所述比例增益、所述积分增益和所述微分增益的取值区间。

7.一种悬浮控制系统的状态监测系统，其特征在于，包括：

第一数据获取模块，用于获取所述悬浮控制系统的初始输入输出数据，并根据所述初始输入输出数据确定所述悬浮控制系统的闭环传递函数；

第一计算模块，用于根据所述闭环传递函数计算开环传递函数，根据所述开环传递函数和初始控制器传递函数确定被控对象的初始传递函数；

第二数据获取模块，用于获取所述悬浮控制系统的最新输入输出数据，并根据所述最新输入输出数据确定所述悬浮控制系统的当前闭环传递函数；

第二计算模块，用于根据所述当前闭环传递函数计算当前开环传递函数，根据当前开环传递函数和所述初始控制器传递函数确定被控对象的最新传递函数；

间隙计算模块，用于确定所述被控对象的初始传递函数和所述最新传递函数之间的间隙度量；

状态监测模块，用于根据所述间隙度量对应的区间确定所述悬浮控制系统的健康状态。

8.根据权利要求6所述的状态监测系统，其特征在于，还包括：

调节模块，用于当所述间隙度量超过警戒阈值时，调节控制器传递函数。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的方法的步骤。

10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如权利要求1-6任一项所述的方法的步骤。

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