novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.24.526-532novtexmech-1440Research ArticleСИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИSYSTEM ANALYSIS, CONTROL AND INFORMATION PROCESSINGМетод построения виртуальных датчиков для замены отказавших физических датчиковMethod of Virtual Sensor Design for Faulty Physical Sensor ReplacementЖирабокА. Н.ZhirabokA. N.

д-р техн. наук, проф.

г. Владивосток

Dr. of Sci., Professor

Vladivostok, 690922

zhirabok@mail.ruЗуевА. В.ZuevA. V.

канд. техн. наук, доц.

г. Владивосток

Vladivostok, 690950

БобкоЕ. Ю.BobkoE. Yu.

ст. преподаватель

г. Владивосток

Vladivostok, 690950

bobko.eyu@dvfu.ruДальневосточный федеральный университет; Институт проблем морских технологий ДВО РАНРоссияFar Eastern Federal UniversityRussian FederationДальневосточный федеральный университет; Институт проблем морских технологий ДВО РАНРоссияFar Eastern Federal University; Institute of Marine Technology ProblemsRussian FederationДальневосточный федеральный университетРоссияFar Eastern Federal UniversityRussian Federation2023091020232410526532Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20232023Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1440

Рассматривается задача построения виртуальных датчиков для нелинейных динамических систем с негладкими нелинейностями, описываемых моделями с непрерывным временем, в целях замены отказавших физических датчиков. Основное назначение виртуальных датчиков — нахождение оценки неизмеряемых фазовых переменных рассматриваемой системы для получения дополнительной информации о системе в целях эффективного управления ею и реализации процесса функционального диагностирования. Кроме того, виртуальные датчики могут быть использованы для замены отказавших физических датчиков. Методы построения виртуальных датчиков, предназначенных для решения этой задачи, отличаются от стандартной процедуры тем, что информация о показаниях отказавшего физического датчика не должна использоваться при синтезе виртуального датчика, заменяющего отказавший физический датчик. Предполагается, что для решения поставленной задачи система оснащена средствами диагностирования, позволяющими в определенный момент времени зафиксировать отказ какого-либо физического датчика. Для каждого такого датчика строится свой виртуальный датчик, вырабатывающий оценку, заменяющую показания отказавшего датчика. Для решения задачи используется логико-динамический подход, характерный тем, что он не гарантирует достижения оптимального решения задачи в смысле размерности получаемых в результате решения датчиков, но оперирует только линейными методами даже для систем с недифференцируемыми нелинейностями. Логико-динамический подход реализуется в несколько этапов. На первом из них из системы удаляется нелинейный член и строится линейная модель, далее проверяется возможность замены отказавшего физического датчика виртуальным и возможность введения в эту модель преобразованной нелинейной составляющей. На последнем этапе обеспечивается устойчивость датчика. Виртуальный датчик может быть реализован в одной из канонических форм — идентификационной или жордановой. Достоинством идентификационной канонической формы является регулярная процедура построения датчика на ее основе, достоинство жордановой формы — возможность получения более простого решения. Приведены соотношения, позволяющие построить виртуальный датчик как в идентификационной, так и жордановой формах.

The paper considers the problem of virtual sensor design for nonlinear dynamic systems with non-smooth nonlinearities described by continuous-time models for faulty physical sensor replacement. The main purpose of virtual sensors is generating the estimates of the unmeasured components of the considered system to provide additional information for effective control and fault diagnosis. Besides, virtual sensors can be used for faulty physical sensor replacement. The methods of virtual sensor design for solving this problem differ from standard procedure since information from faulty physical sensor does not use to design the virtual sensor replacing this sensor. It is assumed that to solve the problem, the system is equipped by diagnostic system allowing detecting faulty sensor. For every such a sensor, the virtual sensor generating estimate replacing the faulty sensor is designed. To solve the problem, so-called logic-dynamic approach is used which does not guarantee optimal solution but uses only methods of linear algebra to solve the problem for systems with non-smooth nonlinearities. This approach contains three steps. Initially, the nonlinear term is removed from system and linear model is designed. Then, a possibility to estimate the faulty sensor and to insert in the model the transformed nonlinear term is checked. Finally, stability of sensor is provided. The virtual sensor can be designed in identification canonical form or Jordan canonical form. The advantage of the first form is a standard procedure of the virtual sensor design while Jordan form allows obtaining simpler solution. The relations allowing designing the virtual sensor as in identification canonical as Jordan canonical form are derived.

динамические системынепрерывные моделинегладкие нелинейностифизические датчикивиртуальные датчикиканонические формыdynamic systemscontinuous time modelsnon-smooth nonlinearitiesphysical sensorsvirtual sensorscanonical formsИсследование выполнено за счет гранта Российского на- учного фонда № 23-29-00191, https://rscf.ru/project/23-29-00191/.The research was carried out at the expense of the grant of the Russian Science Foundation No. 23-29-00191, https://rscf.ru/project/23-29-00191/.ReferencesBlanke M., Kinnaert M., Lunze J., Staroswiecki M. Diagnosis and Fault Tolerant Control. Berlin: Springer-Verlag, 2016.Blanke M., Kinnaert M., Lunze J., Staroswiecki M. Diagnosis and Fault Tolerant Control, Berlin, Springer-Verlag, 2016.Ahmed Q., Bhatti A., Iqbal M. Virtual sensors for automotive engine sensors fault diagnosis in second-order sliding modes // IEEE Sensors J. 2011. Vol. 11. P. 1832—1840.Ahmed Q., Bhatti A., Iqbal M. Virtual Sensors For Automotive Engine Sensors Fault Diagnosis in Second-Order Sliding Modes, IEEE Sensors J, 2011, vol. 11, pp. 1832—1840.Heredia G., Ollero A. Virtual sensor for failure detection, identification and recovery in the transition phase of a morphing aircraft // Sensors. 2010. V. 10. P. 2188—2201.Heredia G., Ollero A. Virtual Sensor For Failure Detection, Identification and Recovery in the Transition Phase of a Morphing Aircraft, Sensors, 2010, vol. 10, pp. 2188—2201.Hosseinpoor Z., Arefi M., Razavi-Far R., Mozafari N., Hazbavi S. Virtual sensors for fault diagnosis: a case of induction motor broken rotor bar // IEEE Sensors J. 2021. Vol. 21. P. 5044—5051.Hosseinpoor Z., Arefi M., Razavi-Far R., Mozafari N., Hazbavi S. Virtual Sensors for Fault Diagnosis: a Case of Induction Motor Broken Rotor Bar, IEEE Sensors J, 2021, vol. 21, pp. 5044—5051.Roy C., Roy A., Misra S. DIVISOR: Dynamic virtual sensor formation for overlapping region in IOT-based sensor-cloud // 2018 IEEE Wireless Communications and Networking Conf. Barcelona, Spain. 2018.Roy C., Roy A., Misra S. DIVISOR: Dynamic Virtual Sensor Formation for Overlapping Region in IOT-Based SensorCloud, Proc. 2018 IEEE Wireless Communications and Networking Conf., Barcelona, Spain, 2018.Rotondo D., Nejjari F., Puig V. A virtual actuator and sensor approach for fault tolerant control of LPV systems // J. Process Control. 2014. Vol. 24. P. 203—222.Rotondo D., Nejjari F., Puig V. A Virtual Actuator and Sensor Approach for Fault Tolerant Control of LPV Systems, J. Process Control, 2014, vol. 24, pp. 203—222.Rotondo D., Ponsart J., Theilliol D., Nejjaria F., Puig V. A virtual actuator approach for the fault tolerant control of unstable linear systems subject to actuator saturation and fault isolation delay // Annual Reviews in Control. 2015. N. 4. P. 1—31.Rotondo D., Ponsart J., Theilliol D., Nejjaria F., Puig V. A Virtual Actuator Approach for the Fault Tolerant Control of Unstable Linear Systems Subject to Actuator Saturation and Fault Isolation Delay, Annual Reviews in Control, 2015, no. 4, pp. 1—31.Wang Y., Rotondo D., Puig V., Cembrano G. Fault tolerant control based on virtual actuator and sensor for discrete-time descriptor systems // IEEE Trans. on Circuits and Systems. 2020. Vol. 67, N. 12. P. 5316—5325.Wang Y., Rotondo D., Puig V., Cembrano G. Fault Tolerant Control Based on Virtual Actuator and Sensor for DiscreteTime Descriptor Systems, IEEE Trans. on Circuits and Systems, 2020, vol. 67, no. 12, pp. 5316—5325.Witczak M. Fault Diagnosis and Fault Tolerant Control Strategies for Nonlinear Systems. Berlin: Springer, 2014.Witczak M. Fault Diagnosis and Fault Tolerant Control Strategies for Nonlinear Systems, Berlin, Springer, 2014.Жирабок А. Н., Ким Ч. И. Виртуальные датчики в задаче функционального диагностирования // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22, № 6. С. 298—303.Zhirabok A., Kim C. Virtual Sensors in the Fault Diagnosis Problem, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2021, vol. 22, no. 6, pp. 298—303 (in Russian).Жирабок А. Н., Зуев А. В., Шумский А. Е. Диагностирование линейных динамических систем: подход на основе скользящих наблюдателей // Автоматика и телемеханика. 2020. № 2. С. 18—35.Zhirabok A., Zuev A., Shumsky A. Diagnosis of Linear Dynamic Systems: an Approach Based an Sliding Mode Observers, Automation and Remote Control, 2020, vol. 81, pp. 18—35.Жирабок А. Н. Анализ наблюдаемости и управляемости нелинейных динамических систем линейными методами // Изв. РАН. ТиСУ. 2010. № 1. С. 10—17.Zhirabok A. Analysis of Observability and Controllability of Nonlinear Dynamic Systems by Linear Methods, J. Computer and Systems Sciences Int., 2010, vol. 49, no. 1, pp. 10—17.Жирабок А. Н., Зуев А. В., Филаретов В. Ф., Шумский А. Е., Ким Ч. И. Каноническая форма Жордана в задачах диагностирования и оценивания // Автоматика и телемеханика. 2022. № 9. С. 36—54.Zhirabok A., Zuev A., Filaretov V., Shumsky A., Kim C. I. Jordan Canonical Form in the Diagnosis and Estimation Problems, Automation and Remote Control, 2022, vol. 83, no. 9, pp. 1355—1370.Misawa E. A., Hedrick J. K. Nonlinear observers — a state of the art survey // J. Dynamic Systems, Measurements and Control. 1989. Vol. 111. P. 344—352.Misawa E. A., Hedrick J. K. Nonlinear Observers — a State of the Art Survey, J. Dynamic Systems, Measurements and Control, 1989, vol. 111, pp. 344—352.Нелинейная динамика и управление: Сборник статей. Вып. 6 / Под ред. С. В. Емельянова, С. К. Коровина. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008.Emelyanov S., Korovin S. ed. Nonlinear Dynamic and Control. Vol. 6, Moscow, Nauka, 2008 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.