基于不确定理论的退化数据分析方法

作为可靠性领域传统的数学工具，概率论难以解决现代可靠性工程面临的难题。本文以不确定理论在退化数据分析中的应用为切入点,阐述了不确定理论的基本公理、运算法则与不确定统计方法,给出了基于确信可靠性理论的可靠性建模思路,提出了不确定失效阈值情形下的退化数据分析与可靠性建模方法。利用时变不确定正态分布建立产品的退化方程,根据专家知识建立失效阈值的不确定分布进而构建裕量方程,最终根据度量方程推导出产品可靠性模型。使用不确定统计中的极大似然估计法与假设检验法解决参数估计与模型验证问题。案例分析说明如果不考虑失效阈值的不确定性,会造成可靠性评估结果较大偏差。研究表明不确定理论适合处理退化数据分析中的不确定性难题,具有广阔的应用前景。     

基于确信可靠性理论的蠕变寿命模型应用研究

蠕变持久寿命的评估一直受到理论与工程领域的研究和关注,基于确信可靠性理论这一可靠性领域的新理论所提出的可靠性的三个科学原理建立了蠕变寿命的确信可靠度模型,并使用不确定理论表征参数的不确定性.通过案例研究分析了模型参数的不确定性,并将所得结果与基于失效时间数据的概率分布建模进行了对比.分析认为,基于确信可靠性理论的蠕变寿...     

基于概率测度的确信可靠性建模与分析方法

确信可靠性理论基于可靠性科学原理, 在产品设计阶段综合考量产品的性能参数与不确定性, 实现了产品的正向设计与定量设计。为了将确信可靠性理论转化为实践可行的可靠性设计流程, 提出了基于概率测度的确信可靠性建模与分析方法。通过研究功能性能裕量分析确定关键性能参数与性能阈值, 通过理论分析、仿真建模、实验建模建立产品的性能方程、裕量方程与退化方程; 确定量化参数的不确定性, 开展确信可靠性分析, 并计算可靠性定量指标。本文为可靠性设计工作流程提供创新性的理论探索和工程实践, 为进一步说明该方法的应用流程, 本文以某型电连接器作为案例进行研究，定量提出了电连接器可靠性的优化改进方向。     

基于马氏距离的二元退化可靠性分析

为解决二元退化产品可靠性建模困难,提出了基于马氏距离(Mahalanobis distance,MD)的二元退化产品可靠性分析方法。首先引入MD,将二元退化数据降维至一元MD,并采用蒙特卡罗方法确定MD失效阈值;然后分别采用了Wiener过程的基本模型和3个具有随机参数的Wiener过程模型进行退化建模,运用贝叶斯方法进行参数估计,并通过模型验证、分位数图(quantile-quantile plot,QQ图)和改进的留一法交叉验证等模型选择方法综合判断确定最优模型。最后采用裂纹增长数据实例验证了所提方法的有效性。     

基于比例失效率退化模型的可靠性评估方法

针对不假定寿命分布类型的长寿命可靠性评估问题,提出一种不同于传统基于退化轨迹和退化量分布的退化数据可靠性评估方法。将时间视为类加速因子并作为协变量,通过引入比例风险模型来描述产品寿命与退化量失效率之间的关系,建立比例失效率退化模型;通过考虑分布簇之间的差异度来确定退化量分布类型,求出退化量基准失效函数及比例失效率系数;采用线性回归模型拟合出类加速模型参数估计,确定已知检测时刻下的退化量失效率函数,并外推产品在退化失效阈值下的寿命可靠度函数;结合实例分析,验证方法的实用性和有效性。     

随机效应Wiener过程退化可靠性分析方法

针对工程中很多产品的初始退化量具有不确定性的情况,提出一种性能退化随机效应Wiener过程可靠性分析方法,同时考虑初始退化量和漂移系数的随机性.然后,根据首达时的定义,推导出了失效时间概率分布函数和概率密度函数的解析表达式.其次,结合产品性能退化测试情况,给出退化模型未知参数的极大似然估计.最后,通过对磁盘性能退化可靠性实例分析,验证了本文方法的适用性和有效性,与随机效应退化轨迹模型相比,本文方法建模过程更为合理,且评估精度高.     

基于变失效阈值的竞争失效可靠性模型

针对同时经历性能退化过程和外界冲击过程的系统,在假设性能退化过程为线性退化过程,冲击过程分别为极值冲击模型和δ冲击模型的基础上,分析了性能退化量对突发失效的失效阈值影响,建立了基于变失效阈值的竞争失效可靠性模型,求出了系统可靠性的解析表达式。结合实例对可靠性模型进行了分析,对突发失效的失效阈值进行了灵敏性分析。结果表明该模型可以有效地提高可靠性评估精度,具有较好的工程实践指导意义和理论参考价值。     

战时基于竞争失效的装备系统可靠性建模与预防性维修策略

针对战时装备受到使用退化与随机冲击的共同作用发生竞争失效的问题,提出了基于状态的预防性维修策略。首先建立了单系统的可靠性评估模型,该模型考虑了装备系统冲击阈值随总退化量的累计而减少的实际,并提出了阈值连续变化条件下的装备系统可靠性建模方法;其次针对装备的隐蔽功能故障,提出了定期检测下基于状态的预防性维修策略,构建了装备系统的成本率函数;最后结合实例分析,确定了装备系统的可靠度函数和最优预防性更换阈值,并对比分析了不同冲击阈值参数对可靠度的影响。研究结果表明:该模型可以有效解决竞争失效条件下装备系统的可靠性评估问题,同时也可为装备系统预防性维修策略提供模型参考。     

基于空间相似性和波动阈值的退化模型一致性检验方法

针对退化模型中存在模型一致性检验不充分问题,借鉴数理统计知识和灰色系统理论,提出一种基于空间相似性和波动阈值的退化模型一致性检验方法。首先,考虑基于正态总体的波动阈值一致性检验,确定退化模型和验证试验结论具有动态一致性,即退化模型结论在容许的波动阈值内;然后,考虑基于灰色关联的空间形状相似性一致性检验,确定退化模型曲线之间的相似度;最后,根据退化模型同时满足基于正态总体的波动阈值一致性检验和基于灰色关联的空间形状相似性一致性检验,认为退化模型通过一致性检验;反之,认为不通过一致性检验。通过实例建模和试验数据对比,验证了所提方法的有效性。     

基于Poisson-Normal过程性能退化模型的可靠性分析

对于高可靠长寿命产品,基于性能退化数据分析产品可靠性是一种行之有效的技术途径。由于有时无法用确定的物理/化学过程定量描述性能退化过程,借助随机过程方法建立退化模型是有效的技术途径。提出了基于Poisson-Normal过程的性能退化模型,给出了参数估计算法和可靠性估计的计算公式,结合实例说明了方法的有效性。     

基于自适应未知输入观测器的多故障快速重构

针对一类非线性函数中耦合执行器故障的非线性动态系统, 提出一种基于自适应未知输入观测器的多故障快速重构方法, 通过引入比例项提高故障重构的快速性。首先, 将执行器故障进行解耦处理并构建包含传感器故障的增广系统。然后, 综合H_∞性能指标给出状态估计误差的稳定性证明。接着, 将观测器增益矩阵的求解转化为受线线矩阵不等式约束的非线性优化问题, 并实现执行器故障和传感器故障的多故障重构。最后, 结合单关节柔性机器人算例仿真验证了所提方法的有效性。     

线性时滞系统主动容错H∞控制

采用一种具有广义内模控制结构的反馈控制器,研究一类线性时滞系统的主动容错H∞控制问题。针对可由外系统描述其动态行为的故障,设计了基于观测器的故障估计器,并在此基础上将在线故障估计信息用于控制器的故障补偿,提出了基于广义内模控制的主动容错控制系统设计方法。应用时滞系统有界实引理,推导并证明了问题可解的依赖于时滞的充分条件,给出了这类主动容错控制系统设计的具体步骤。算例验证了该方法的有效性。     

一类非线性系统的执行器偏差故障诊断

针对一类具有系统建模误差,以及含传感器模型不确定项的非线性控制系统,提出了一种用于执行器故障诊断的观测器方法。观测器中引入自适应补偿项,当出现偏差后将对故障及建模不确定项进行补偿。自适应算法中采用了死区算子,增强了算法的鲁棒性。同时利用自适应律进行偏差估计。理论分析证明观测器的观测误差收敛到零。仿真结果表明了方法的有效性。     

Backstepping-based active fault-tolerant control for a class of uncertain SISO nonlinear systems

Active fault-tolerant control is investigated for a class of uncertain SISO nonlinear flight control systems based on the adaptive observer, feedback linearization and backstepping theory. Firstly an adaptive observer is constructed to estimate the fault in the faulty system. A new fault updating law is presented to simplify the assumption conditions of the adaptive observer. The asymptotical stability of the observer and the uniform ultimate boundedness of the fault estimation error are guaranteed by Lyapunov theorem. Then a backstepping-based active fault-tolerant controller is designed for the faulty system. The asymptotical stability of the closed-loop system and uniform ultimate boundedness of the tracking error are proved based on Lyapunov theorem. The effectiveness of the proposed scheme is demonstrated through the numerical simulation of a flight control system.     

基于迭代学习-未知输入观测器的卫星姿控系统鲁棒故障重构

针对卫星姿控系统出现执行机构故障,提出一种基于迭代学习-未知输入观测器(iterative learning unknown input observer, IL-UIO)的鲁棒故障重构方法。首先,考虑卫星出现空间干扰力矩、模型不确定性以及陀螺漂移,建立小角度机动时的非线性姿控系统模型。其次,采用UIO干扰解耦原理和H_∞控制思想,设计IL-UIO估计卫星姿态欧拉角和角速度的同时,利用IL算法实现执行机构鲁棒故障重构。并利用Lyapunov稳定性理论证明了IL-UIO稳定性和动态故障偏差最终有界, 通过线性矩阵不等式(linear matrix inequaliry, LMI)工具箱求解了观测器部分参数矩阵。最后,建立卫星闭环姿控系统并进行仿真,仿真结果验证了此方法的有效性。     

H∞ fault estimation for a class of linear time-delay systems in finite frequency domain

This paper deals with the problem of H∞ fault estimation for linear time-delay systems in finite frequency domain. First a generalized coordinate change is applied to the original system such that in the new coordinates all the time-delay terms are injected by the system's input and output. Then an observer-based H∞ fault estimator with input and output injections is proposed for fault estimation with known frequency range. With the aid of Generalized Kalman-Yakubovich-Popov lemma, sufficient conditions on the existence of the H∞ fault estimator are derived and a solution to the observer gain matrices is obtained by solving a set of linear matrix inequalities. Finally, a numerical example is given to illustrate the effectiveness of the proposed method.     

不确定离散切换系统的状态反馈鲁棒控制

针对同时具有模型参数不确定性和外部扰动的一类离散切换系统,研究H∞其鲁棒控制和H2/H∞混合鲁棒控制问题。首先,基于多Lyapunov函数法分析了含有状态反馈控制器的离散切换系统的稳定性和H∞鲁棒控制问题。其次,基于线性矩阵不等式,通过建立和求解一个凸优化问题,给出不确定H2/H∞鲁棒控制的具有更小保守性的求解方法。最后,仿真算例验证了所提出方案的可行性。     

一类参数不确定非线性系统的故障检测与重构

飞行器在全包络上表现出明显的气动参数不确定性,以某无人机纵向模型为研究对象,提出一种不确定参数在线估计的自适应观测器故障重构方法。首先,将系统状态方程描述为一类带时变参数的仿射非线性结构,在参数增广系统能观性分析基础上,采用增广容积卡尔曼滤波(augmented cubature Kalman filter, ACKF)算法实现气动参数在线估计,以克服鲁棒性死区故障检测方法的保守性,提高检测灵敏度。其次,将所估计参数用于自适应观测器设计,由于Lie导数分析方法保证了对象系统的能观性,故系统不必满足文献方法中的特定规范形式;在此基础上,给出了故障检测自适应阈值和故障参数调节律,并分析了估计误差的收敛性。仿真实验表明了所提方法的有效性。     

基于LMI的H_/H∞故障检测观测器设计

考虑未知输入信号的影响,研究了线性系统鲁棒故障检测观测器的设计问题。利用描述残差对故障灵敏度的H_指数和表示残差对未知输入鲁棒性的H∞范数,将鲁棒故障检测观测器的设计问题描述为基于H_/H∞的优化设计问题。利用线性矩阵不等式(linear matrix inequality, LMI)理论,给出故障检测观测器的存在条件,提出一种新的迭代LMI算法求解最优观测器增益。仿真结果表明,利用这种方法设计的故障检测观测器对故障的灵敏度高,对未知输入的鲁棒性强。