<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">novtexmech</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Мехатроника, автоматизация, управление</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="ppub">1684-6427</issn><issn pub-type="epub">2619-1253</issn><publisher><publisher-name>Commercial Publisher «New Technologies»</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.17587/mau.26.457-464</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">novtexmech-1809</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>SYSTEM ANALYSIS, CONTROL AND INFORMATION PROCESSING</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Интервальный метод диагностирования нелинейных систем</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Interval Method of Nonlinear System Diagnosis</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Жирабок</surname><given-names>А. Н.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Zhirabok</surname><given-names>A. N.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>А. Н. Жирабок, д-р техн. наук, проф.</p><p>г. Владивосток</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Zhirabok Alexey N., Dr. of Sci., Professor</p><p>Vladivostok, 690922; Vladivostok, 690950</p></bio><email xlink:type="simple">zhirabok@mail.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Зуев</surname><given-names>А. В.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Zuev</surname><given-names>A. V.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>А. В. Зуев, д-р техн. наук, доц.</p><p>г. Владивосток</p></bio><bio xml:lang="en"><p>A. V. Zuev</p><p>Vladivostok, 690950; Vladivostok, 690014</p></bio><email xlink:type="simple">alvzuev@yandex.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-2"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Дальневосточный федеральный университет; Институт проблем морских технологий ДВО РАН</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Far Eastern Federal University; Institute of Marine Technology Problems FEB RAS</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><aff-alternatives id="aff-2"><aff xml:lang="ru"><institution>Институт проблем морских технологий ДВО РАН; Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Institute of Marine Technology Problems FEB RAS;  Institute of Automation and Control Processes FEB RAS</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2025</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>04</day><month>09</month><year>2025</year></pub-date><volume>26</volume><issue>9</issue><fpage>457</fpage><lpage>464</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Commercial Publisher «New Technologies», 2025</copyright-statement><copyright-year>2025</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><license xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice" xlink:type="simple"><license-p>https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/article/view/1809">https://mech.novtex.ru/jour/article/view/1809</self-uri><abstract><p>Рассматриваются задачи преобразования заданной нелинейной динамической системы к линейной системе (редуцированной модели) специального вида и приложения полученного результата к решению одной из задач функционального диагностирования — обнаружению дефектов. Преобразование реализуется на основе производной Ли, в результате чего получается линейная модель специального вида, не чувствительная к внешним возмущениям, обеспечивающая линейность уравнения для динамики ошибки, что важно для решения ряда практических задач. При решении задачи диагностирования используются интервальные наблюдатели, достоинством которых является возможность эффективного учета большого числа неопределенностей, возможных в исходной системе: внешних возмущений, шумов измерений, параметрических неопределенностей. Интервальный наблюдатель строится на основе полученной модели, которая с помощью производной Ли вначале ищется в идентификационной канонический форме. Затем она преобразуется к жордановой канонической форме с отрицательными собственными числами, поскольку последняя обладает свойствами, необходимыми для корректной работы интервального наблюдателя. Интервальный диагностический наблюдатель формирует две невязки так, что при отсутствии дефектов значения одной из них являются неположительными, второй — неотрицательными, т. е. если дефекты, на обнаружение которых рассчитан наблюдатель, в системе отсутствуют, то число нуль находится между этими значениями. Случай, когда нуль не попадает между этими значениями, квалифицируется как появление дефекта. Теоретические результаты иллюстрируются примером модели электропривода, где решается задача обнаружения дефекта, вызванного изменением активного сопротивления обмотки двигателя из-за его перегрева. При этом учтено, что если сопротивление меняется в допустимых пределах, это не квалифицируется как дефект. Проведенное на основе пакета MATLAB моделирование исходной системы и построенного наблюдателя подтвердило правильность принятых допущений и теоретических построений.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>The problems of transforming the original nonlinear system into the special linear system (reducing model) and fault diagnosis are studied. The transformation is realized based on Li derivative, and the model insensitive to the external disturbances is derived. Such a model allows to obtain a linear equation for the error that is important for solving some practical problems. To solve the problem of fault diagnosis, the interval observers are used. The advantage of the interval observer is that they allow to take into account many types of uncertainties: the external disturbances, measurement noise, and parametric uncertainties. The interval observer is based on the reducing model which initially is designed in the identification canonical form, and then it is transformed into the diagonal Jordan canonical form with negative eigenvalues since such a form has properties necessary to design the interval observer. The interval diagnostic observer creates two residuals such that when there are no faults, one residual is non-positive, the second one is non-negative. If zero lies between these residuals, a decision that there are no faults is made. The theoretical results are illustrated by an example of electro actuator model where the value of active resistor of the motor winding is estimated under the assumption that if the resistor is in its tolerance, then the fault is absent. Simulation results based on the package Matlab show the effectiveness of the developed theory.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>нелинейные системы</kwd><kwd>модели</kwd><kwd>диагностирование</kwd><kwd>преобразование</kwd><kwd>интервальные наблюдатели</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>nonlinear systems</kwd><kwd>models</kwd><kwd>fault diagnosis</kwd><kwd>transformation</kwd><kwd>interval observers</kwd></kwd-group><funding-group><funding-statement xml:lang="ru">Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект FZNS-2023-0011).</funding-statement><funding-statement xml:lang="en">The work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, project no. FZNS-2023-0011.</funding-statement></funding-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Venkateswaran S., Liu S., Wilhite B., Kravaris C. Design of linear residual generators for fault detection and isolation in nonlinear systems // Int. J. Control. 2022. Vol. 95. P. 804—820.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Venkateswaran S., Liu S., Wilhite B., Kravaris C. Design of linear residual generators for fault detection and isolation in nonlinear systems, Int. J. Control, 2020, vol. 95, pp. 1—48.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Kravaris C. Functional observers for nonlinear systems // IFAC-PapersOnLine., 2016. Vol. 49. P. 505—510.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kravaris C. Functional observers for nonlinear systems, IFAC-PapersOnLine, 2016, vol. 49, pp. 505—510.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Жирабок А. Н., Зуев А. В., Бобко Е. Ю. Метод построения виртуальных датчиков для замены отказавших физических датчиков // Мехатроника, автоматизация, управление, 2023. Т. 24. № 10. С. 526—532.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhirabok A., Zuev A., Shumsky A., Bobko E. Method of virtual sensor design for faulty physical sensor replacement, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2023, vol. 24, no. 10, pp. 526—532.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Квакернаак Х., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления. М.: Мир, 1977. 652 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kwakernaak H., Sivan R. Linear optimal control systems, Wiley Intersience, NY, 1972, 652 p.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Isidori A. Nonlinear control systems. Berlin: SpringerVerlag, 1989.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Isidori A. Nonlinear control systems, Berlin, SpringerVerlag, 1989.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Жирабок А. Н., Шумский А. Е., Соляник С. П., Суворов А. Ю. Метод построения нелинейных робастных диагностических наблюдателей // Автоматика и телемеханика, 2017. № 9. С. 34—48</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhirabok A., Sumsky A., Solyanik S., Suvorov A. Method of nonlinear robust diagnostic observer design, Autom. Remote Control, 2017, vol. 78, pp. 1572—1584.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Ефимов Д. В., Раиссии Т. Построение интервальных наблюдателей для динамических систем с неопределенностями // Автоматика и телемеханика, 2016. № 2. С. 5—49.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Efimov D., Raissi T. Design of interval state observers for uncertain dynamical systems, Autom. Remote Control, 2016, vol. 77, pp. 191—225.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Жирабок А. Н., Зуев А. В., Ким Ч. Метод построения интервальных наблюдателей для стационарных линейных систем // Изв. РАН. Теория и системы управления, 2022. № 5. С. 3—13.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhirabok A., Zuev A., Kim C. Method to design interval observers for linear time-invariant systems, J. Computer Systems Sciences Int., 2022, vol. 61, pp. 485—495.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Edwards C., Spurgeon S., Patton R. Sliding mode observers for fault detection and isolation // Automatica. 2000. Vol. 36. P. 541—553.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Edwards C., Spurgeon S., Patton R. Sliding mode observers for fault detection and isolation, Automatica, 2000, vol. 36, pp. 541—553.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Fridman L., Levant A., Davila J. Observation of linear systems with unknown inputs via high order sliding-modes // Int. J. Syst. Sci. 2007. V. 38. P. 773—791.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Fridman L., Levant A., Davila J. Observation of linear systems with unknown inputs via high order sliding-modes, Int. J. Syst. Sci., 2007, vol. 38, pp. 773—791.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Zhang Z., Yang G. Fault detection for discrete-time LPV systems using interval observers // Int. J. Syst. Sci. 2017. Vol. 48. P. 1—15.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhang Z., Yang G. Fault detection for discrete-time LPV systems using interval observers, Int. J. Syst. Sci., 2017, vol. 48, pp. 1—15.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Zhang Z., Yang G. Event-triggered fault detection for a class of discrete-time linear systems using interval observers // ISA Transactions. 2017. Vol. 68. P. 160—169.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhang Z., Yang G. Event-triggered fault detection for a class of discrete-time linear systems using interval observers, ISA Transactions, 2017, vol. 68, pp. 160—169.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Zhang Z., Yang G. Interval observer-based fault isolation for discrete-time fuzzy interconnected systems with unknown interconnections // IEEE Trans. Cybernetics. 2017. Vol. 47. P. 2413—2424.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhang Z., Yang G. Interval observer-based fault isolation for discrete-time fuzzy interconnected systems with unknown interconnections, IEEE Trans. Cybernetics, 2017, vol. 47, pp. 2413—2424.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Yi Z., Xie W., Khan A., Xu B. Fault detection and diagnosis for a class of linear time-varying discrete-time uncertain systems using interval observers // Proc. 39th Chinese Control Conf., July 27—29, 2020. Shenyang, China. P. 4124—4128.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Yi Z., Xie W., Khan A., Xu B. Fault detection and diagnosis for a class of linear time-varying discrete-time uncertain systems using interval observers, Proc. 39th Chinese Control Conf., July 27—29, 2020, Shenyang, China, pp. 4124—4128.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit15"><label>15</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Rotondo D., Fernandez-Cantia R., Tornil-Sina S., Blesa J., Puig V. Robust fault diagnosis of proton exchange membrane fuel cells using a Takagi-Sugeno interval observer approach // Int. J. Hydrogen Energy. 2015. P. 2875—2886.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Rotondo D., Fernandez-Cantia R., Tornil-Sina S., Blesa J., Puig V. Robust fault diagnosis of proton exchange membrane fuel cells using a Takagi-Sugeno interval observer approach, Int. J. Hydrogen Energy, 2015, pp. 2875—2886.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit16"><label>16</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Blesa J., Rotondo D., Puig V. FDI and FTC of wind turbines using the interval observer approach and virtual actuators/ sensors // Control Eng. Pract. 2014. Vol. 24. P. 138—155.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Blesa J., Rotondo D., Puig V. FDI and FTC of wind turbines using the interval observer approach and virtual actuators/ sensors, Control Eng. Pract., 2014, vol. 24, pp. 138—155.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit17"><label>17</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Харьковская Т. А., Кремлев А. С., Сабирова Д. М., Ефимов Д. В., Раисси Т. Интервальный наблюдатель для модели биологического реактора // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 3. С. 39—45.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kharkovskaya T., Kremlev A., Sabirova D., Efimov D., Raissi T. Interval observers for model of biological reactor, Science and technique bulletin of informational technology, mechanical, and optics, 2014, no. 3, pp. 39—45.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit18"><label>18</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Жирабок А. Н., Зуев А. В. Интервальные наблюдатели для идентификации дефектов в дискретных динамических системах // Мехатроника, автоматизация, управление. 2024. Т. 25, № 6. С. 289—294.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhirabok A., Zuev A. Interval observers for fault identification in discrete-time dynamic systems, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2024, vol. 25, no. 6, pp. 289—294.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit19"><label>19</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Жирабок А. Н., Зуев А. В., Бобко Е. Ю., Тимошенко А. А. Построение интервальных наблюдателей для нестационарных систем // Мехатроника, автоматизация, управление. 2024. Т. 25, № 10. С. 513—519.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhirabok A., Zuev A., Bobko E., Timoshenko A. Interval observers design for non-stationary systems, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2024, vol. 25, no. 10, pp. 513—519.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit20"><label>20</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Levant A. Higher-order sliding modes, differentiation and output-feedback control // Int. J. Control. 2003. Vol. 76. P. 924—941.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Levant A. Higher-order sliding modes, differentiation and output-feedback control, Int. J. Control, 2003, vol. 76, pp. 924—941.</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
