Метод построения виртуальных датчиков для замены отказавших физических датчиков

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.

1. Blanke M., Kinnaert M., Lunze J., Staroswiecki M. Diagnosis and Fault Tolerant Control. Berlin: Springer-Verlag, 2016.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Witczak M. Fault Diagnosis and Fault Tolerant Control Strategies for Nonlinear Systems. Berlin: Springer, 2014.

10. Жирабок А. Н., Ким Ч. И. Виртуальные датчики в задаче функционального диагностирования // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22, № 6. С. 298—303.

11. 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.

12. Жирабок А. Н. Анализ наблюдаемости и управляемости нелинейных динамических систем линейными методами // Изв. РАН. ТиСУ. 2010. № 1. С. 10—17.

13. 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.

14. 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.

15. Нелинейная динамика и управление: Сборник статей. Вып. 6 / Под ред. С. В. Емельянова, С. К. Коровина. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008.