1.本发明涉及一种用于化学品混合罐系统的故障检测方法，具体涉及一种基于迭代区间估计的化学 品混合罐系统事件触发故障检测方法。
背景技术：2.化学品混合罐系统由于使用场景的复杂性，通常难以发现被噪声和干扰掩盖的测量故障，这可能 会导致系统性能下降。故障检测作为故障诊断的重要组成部分，对提高系统的安全性和可靠性至关重要。 故障检测主要思想是比较残差信号与安全阈值的大小，当残差信号的幅值超过安全阈值，就认定系统发生 故障。基于这个思想，研究人员对触发条件的设计展开了大量的研究，并取得一系列成果。
3.此外，化学品混合罐系统通常会采用安装简单、扩展性强的网络控制。然而，由于有限的网络带 宽，数据包在网络传输中不可避免地存在时延、丢包以及时序错乱等问题。如何在不牺牲理想的稳定性和 性能的前提下，同时减少通信传输频率，事件触发控制就显得尤为重要。在事件触发控制环境下，只有当 预设的条件被违背时，通信传输才会进行。
4.然而，上述的研究工作主要集中在针对化学品混合罐系统的一步安全阈值设计，这导致检测灵敏 度较低。因此，有必要采用k步迭代方法来产生更紧密的安全阈值区间以提高故障检测的灵敏度与及时性。
技术实现要素：5.本发明的目的是提出基于迭代区间估计的化学品混合罐系统的事件触发故障检测方法，可有效提 高在带宽有限条件下化学品混合罐系统的故障检测灵敏度与及时性。
6.本发明的具体技术方案如下：一种基于迭代区间估计的化学品混合罐系统的事件触发故障检测方 法，包括以下步骤：
7.使用线性化技术，建立化学品混合罐系统的离散动力学模型如下所示：
[0008][0009][0010]
式中，x(k)＝[δc3(k)，δq3(k)，δc5(k)，δq5(k)]
t
表示系统状态，u(k)＝[δq1(k)，δq4(k)]
t
表示系 统输入，y(k)表示系统输出，qi表示流速，ci表示化学品的浓度，表示流速的目标值，表示化学品 的浓度的目标值，v1和v2表示液体的体积，q2和c2是已知的常数， i∈{1，
…
，5}表示进出料管道标号，k表示离散采样时间；
[0011]
设计一种迭代观测器方法以重构系统状态，多次迭代不断修正估计值以提高估计
精度，具体步骤 如下：
[0012]
第0次迭代：
[0013][0014]
第i次迭代：
[0015][0016]
式中，和分别表示第0次和第i次系统状态的估计值，和分别表 示第0次和第i次扰动的估计值；
[0017]
进一步，设计一种由系统输出和误差依赖触发参数构成的动态输出触发机制，具体步骤如下：
[0018]ks+1
＝inf{k＞ks，
[0019]
式中，ey(k)＝y(ks)-y(k)表示测量误差，ks表示上次触发时刻，k
s+1
表示下一触发时刻，ψ 表示权重矩阵，σ(k)表示触发参数并由下式更新：
[0020][0021]
式中，和σ分别表示触发参数的上下界，α表示权重参数；
[0022]
进一步，建立了一种针对本发明所涉及的化学品混合罐系统的事件触发控制方案，具体步骤如下：
[0023][0024]
式中，k为正定的反馈增益矩阵；该算法可以保证系统渐进稳定，证明过程如下：
[0025]
c001：选取以下形式的复合能量函数：
[0026][0027]
c002：式中表示系统的 状态观测误差，表示扰动的估计误差，p表示李雅普诺夫变量矩阵；
[0028]
c003：计算第k+1采样时刻与第k采样时刻间v
[i]
(k)的差并考虑h
∞
性能，其中：
[0029][0029]
c004：式中，γ表示h
∞ 性能水平指标；
[0030]
c005：进一步，考虑根据c003可得下式：
[0031][0032][0033]
c006：因此，可由c004得到当θ＜0时时均有：
[0034][0035]
c007：根据c006，化学品混合罐系统在本发明所设计事件触发控制方案下是渐进稳定的；
[0036]
进一步，利用zonotope技术，使用系统正常运行时的数据来产生故障检测所需的安全阈值，具 体步骤如下：获取化学品混合罐系统在本发明所设计事件触发控制方案下的正常运行数据，基于zonotope 技术分析每一迭代批次观测误差信号的可达集：
[0037][0038]
式中，e
[i]
(k)和分别代表观测误差可达的上下界，ω
[i]
(0)代表观测误差初值的可达集，box(
·
)表示区间边界，表示明可夫斯基和；
[0039]
进一步，计算平均的残差信号区间，从而产生正常运行时化学品混合罐系统状态的区间；
[0040][0041]
式中，x
[i]
(k)和分别代表化学品混合罐系统状态可达的上下界；
[0042]
因此，可由状态可达的上下界获得故障检测所需的安全阈值。
附图说明
[0043]
图1为本发明实施例的方法流程图；
[0044]
图2为实施例采用本发明所提方法在无故障情况下的δc3(k)的响应图与所获得的状态区间；
[0045]
图3为实施例采用本发明所提方法在无故障情况下的δq3(k)的响应图与所获得的状态区间；
[0046]
图4为实施例采用本发明所提方法在无故障情况下的δc5(k)的响应图与所获得的状态区间；
[0047]
图5为实施例采用本发明所提方法在无故障情况下的δq5(k)的响应图与所获得的状态区间；
[0048]
图6为实施例采用本发明所提方法在无故障情况下的δc3(k)与δq3(k)观测误差可达集分析图；
[0049]
图7为实施例采用本发明所提方法在无故障情况下的δc5(k)与δq5(k)观测误差可达集分析图；
[0050]
图8为实施例采用本发明所提方法在故障情况下δc3(k)的故障检测图；
具体实施方式
[0051]
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本 发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权 利要求所限定的范围。
[0052]
如图1所示，一种基于迭代区间估计的化学品混合罐系统的事件触发故障检测方法，包含如下步 骤：
[0053]
步骤一、设置各项参数初值；
[0054]
步骤二、更新阈值参数σ(k)；
[0055]
步骤三、使用阈值参数σ(k)验证事件触发测量，更新触发输出y(ks)；
[0056]
步骤四、利用触发输出y(ks)，更新系统状态估计和扰动估计
[0057]
步骤五、利用状态估计实时生成控制输入u(k)；
[0058]
步骤六、根据控制输入u(k)产生的观测误差更新算法参数；
[0059]
步骤七、重复步骤三、四、五、六，直到本次迭代结束并进入下一循环；
[0060]
步骤八、利用zonotope技术分析每一迭代批次观测误差信号的可达集；
[0061]
步骤九、计算平均的观测误差区间，求得正常运行时化学品混合罐系统状态的区间；基于状态的 区间获得故障检测所需的安全阈值。
[0062]
下面介绍本发明的一个实施例：考虑化学品混合罐系统事件触发故障检测问题，其对应动力学模型为：
[0063][0064][0065]
其中系统参数为：c1＝4mol/l，c2＝2mol/l，c4＝1mol/l，＝1mol/l，
[0066]
图1为本发明实施例的方法流程图；应用所提方法，无故障情况下的状态响应图与所获得的状态 区间如图2-5所示，在无故障情况下的观测误差可达集分析图如图6和图7所示，从中可以看出，在迭代 过程中随着迭代次数越高，观测误差的可达集越来越小，表明系统性能随着迭代次数越来越好；
[0067]
根据获得的状态区间，假设故障从k＝100开始出现，取值为0.02rand(1)以测试本发明故障检 测技术的有效性。图8展示所提方法在故障情况下δc3(k)的故障检测图，从图中可以看出，所提方法因为 迭代优化有着有更紧密的安全阈值，同时也能更快的检测出故障，这表明所提故障检测方法的灵敏度与及 时性都很高。
[0068]
参考文献
[0069]
[1]w.j.lin，y.he，c.k.zhang，l.wang，m.wu.event-triggeredfaultdetectionfilterdesignfordiscrete-timememristiveneuralnetworkswithtimedelays.ieeetransactionsoncybernetics，vol.52，pp.3359-3369，2022.
[0070]
[2]z.h.zhang，g.h.yang.event-triggeredfaultdetectionforaclassofdiscrete-timelinearsystemsusingintervalobservers.isatransactions，vol.68，pp.160-169，2017.
技术特征：1.一种基于迭代区间估计的化学品混合罐系统的事件触发故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：使用线性化技术，建立化学品混合罐系统的离散动力学模型；使用触发时刻的系统输出设计一种迭代观测器方法，进而通过重构的状态更新控制输入；设计一种由系统输出和误差依赖触发参数构成的动态输出触发机制来降低通信传输频率；利用基于事件的控制器来控制化学品混合罐系统；利用zonotope技术，使用系统正常运行时的数据来产生故障检测所需的安全阈值。2.根据权利要求1所述的基于迭代区间估计的化学品混合罐系统的事件触发故障检测方法，其特征在于，所述化学品混合罐系统的离散动力学模型如下所示：所述化学品混合罐系统的离散动力学模型如下所示：式中，x(k)＝[δc3(k)，δq3(k)，δc5(k)，δq5(k)]
t
表示系统状态，u(k)＝[δq1(k)，δq4(k)]
t
表示系统输入，y(k)表示系统输出，q
i
表示流速，c
i
表示化学品的浓度，表示流速的目标值，表示化学品的浓度的目标值，v1和v2表示液体的体积，q2和c2是已知的常数，i∈{1，
…
，5}表示进出料管道标号，k表示离散采样时间。3.根据权利要求2所述的基于迭代区间估计的化学品混合罐系统的事件触发故障检测方法，其特征在于，设计一种迭代观测器方法以重构系统状态，多次迭代不断修正估计值以提高估计精度，具体步骤如下：第0次迭代：第i次迭代：式中，和分别表示第0次和第i次系统状态的估计值，和分别表示第0次和第i次扰动的估计值。4.根据权利要求3所述的基于迭代区间估计的化学品混合罐系统的事件触发故障检测方法，其特征在于，设计一种由系统输出和误差依赖触发参数构成的动态输出触发机制，具体步骤如下：式中，e
y
(k)＝y(k
s
)-y(k)表示测量误差，k
s
表示上次触发时刻，k
s+1
表示下一触发时刻，
ψ表示权重矩阵，σ(k)表示触发参数并由下式更新：式中，和σ分别表示触发参数的上下界，α表示权重参数。5.根据权利要求4所述的基于迭代区间估计的化学品混合罐系统的事件触发故障检测方法，其特征在于，采用迭代观测器重构化学品混合罐系统的状态，并设计出事件触发控制器，具体步骤如下：建立了一种针对本发明所涉及的化学品混合罐系统的事件触发控制方案，如下所示：式中，k为正定的反馈增益矩阵；该算法可以保证系统渐进稳定，证明过程如下：b001：选取以下形式的复合能量函数：b002：式中表示系统的状态观测误差，表示扰动的估计误差，p表示李雅普诺夫变量矩阵；b003：计算第k+1采样时刻与第k采样时刻间v
[i]
(k)的差并考虑h
∞
性能，其中：b004：式中，γ表示h
∞
性能水平指标；b005：进一步，考虑根据b003可得下式：根据b003可得下式：b006：因此，可由b004得到当θ＜0时时均有b007：根据b006，化学品混合罐系统在本发明所设计事件触发控制方案下是渐进稳定的。6.根据权利要求5所述的基于迭代区间估计的化学品混合罐系统的事件触发故障检测方法，其特征在于，利用zonotope技术，使用系统正常运行时的数据来产生故障检测所需的
安全阈值，具体步骤如下：获取化学品混合罐系统在本发明所设计事件触发控制方案下的正常运行数据，基于zonotope技术分析每一迭代批次残差信号的可达集：式中，e
[i]
(k)和分别代表观测误差可达的上下界，ω
[i]
(0)代表观测误差初值的可达集，box(
·
)表示区间边界，表示明可夫斯基和；进一步，计算平均的残差信号区间，从而产生正常运行时化学品混合罐系统状态的区间；式中，x
[i]
(k)和分别代表化学品混合罐系统状态可达的上下界；因此，可由状态可达的上下界获得故障检测所需的安全阈值。
技术总结本发明公开了一种基于迭代区间估计的化学品混合罐系统事件触发故障检测方法。该方法首先使用线性化技术，建立化学品混合罐系统的离散动力学模型，接着使用触发时刻的系统输出设计一种迭代观测器方法，并设计一种由系统输出和误差依赖触发参数构成的动态输出触发机制来降低通信传输频率，然后设计出使化学品混合罐系统渐进稳定的控制器，最后利用Zonotope技术，使用系统正常运行时的数据来产生故障检测所需的安全阈值。与传统基于一步的估计方法相比，本方法是一种新的区间估计方式。该方法应用于化学品混合罐系统时，产生了更紧密的安全阈值区间，提高了故障检测的灵敏度与及时性。性。性。
技术研发人员：沈谋全 顾阳 李丽伟 刘丹 史建涛 秦雯
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2022.06.28
技术公布日：2022/11/1
