自动化专业毕业设计外文翻译(中英文对照翻译)-电液伺服系统中非线性观察器的故障检测技术0

毕业设计（论文）外文翻译NONLINEAROBSERVERBASEDFAULTDETECTIONTECHNIQUEFORELECTROHYDRAULICSERVOPOSITIONINGSYSTEMS电液伺服系统中非线性观察器的故障检测技术本科电气与信息学院自动化讲师2009年5月6日学生姓名学历层次所在院系所学专业指导教师教师职称完成时间（本文档前部分为中文，后部分为英文部分，后部分英文部分为PDF转化为WORD版本，不清晰之处，可参考本人上传的英文PDF版本原文，可以免费下载英文PDF版本下载地址HTTP/WWWDOCINCOM/P34797235HTML，以人格担保。可先下载英文PDF版本后，再下载中文部分即本文档）电液伺服系统中非线性观察器的故障检测技术摘要本文的目的是用非线性观察器在实验评价中评价电液伺服的系统出现的故障。在大体上,一种故障被定义为特定部位中不被注意的偏离,避免一个不需要达到的目的，而且导致全部的系统出现反常的情况。以非线性观察为原则,结合沃尔德的序贯临床试验,提出了故障检测。输入和输出变量控制信号和执行器线速分别促进故障检测的进程。观察的性能和故障检测技术都可以引导模拟研究。系统和传感器故障的变化被体积弹性模量模拟。非线性观测的有效期在压力不正确的供应和传感器故障模拟和试验中被证实。结果显示，故障可以迅速被检测。整体来说，提出的计划证实了预言。1简介液压系统使用在大多数重物的操作或大力的施加中。例如，拿放机器人，飞机进驻控制面，飞行模拟器，装载机。由其种类繁多，但是液压系统的运行效率始终是非常重要的。在这种高度的非线性系统中它也需要有一个可靠的状态监测程序，在这种高度的非线性系统中故障经常发生。几种类型的故障,可以发生在液压动力系统。在泵压力的下降的情况下,可能导致驱动器应承担相当的负荷。在航空航天应用中，当飞行控制面所感动的液压驱动器发生故障，有可能导致灾难性的后果。另一种常见的来源是断层泄漏和补给线。液压驱动器可出现两种不同类型的泄漏活塞密封的泄漏或内部泄漏与轴外泄漏或外部泄漏。如果受到冲击，液体的泄漏可能导致系统压力的大幅度下降，最终使液压系统停止运作。液压系统中空气和水的污染共同构成他的第三个故障。被困在该系统的空气将大大减少了有效体积模的流体。同样的，其中的水增加的体积弹性模量在该系统将显现出来。这影响整个系统的自然频率，对整个系统的性能产生严重的影响。整个故障检测过程包含以下两个步骤一用状态估计残值，二通过决策逻辑评价残值。在过去十年，在开发故障检测和隔离FDI系统上已进行大量的工作。一份详细的调查显示艾斯玛尼对现有的技术已经归纳。用参数化方法成功表明,在液压系统运作下周期输入信号检测泵故障时的一个可行的方法。另一方面,谭和塞普瑞应用了沃尔德的非线性模型观念，在液压驱动系统中实施一项投资计划。RAJAMANI提出的观察器设计方法是李氏假设的一类非线性系统中的非线性设计方法。为了稳定分析目的,有系统的方法来解决黎卡提不等式。非一般性的可视输入会引起不少物理问题。然而，从控制合成问题中分离独立的观察问题的投入经常达到可观的特点。在一个系统可完全观察的条件下可以定义一个概念。这种方式被用于比非线性系统简单的双线性系统。基于状态空间分析的故障检测计划也一直在考虑,并且各种非线性观察器已经为此制定为液压马达装载系统开发双线性故障检测观测器来检测泵轴转速传感器故障，就如改变了有效粘性系数一样。在这个文件中事实上那种功能是可靠的，我们假设系统是可以检测到任何输入。然而,在至少满足非线性条件的实际假设下我们已经构建了观察器。事实上,这是一种延长观测。换句话说，我们考虑到实际理由削弱了可观察性概念。因此，作为体统任何可视化的输入都可以获得足够的输出。剩余一代对故障检测也是重要的，因为它知道系统的部位。然而，除了用统计决策方法之外，它并没有有关检测系统故障足够的信息。我们使用沃尔德的序贯试验提出残值评价，一个健全的统计方法来检测故障的出现。沃尔德的方法特点之一是若干实验要求不是预先确定的。在结果出来以前做出决定终止取决于每一个阶段。随后，在沃尔德的序贯检验常常比其他的测试程序节省约110。一个探测传感器如果作为暂时或永久损坏,它应该自动停止系统正常运作,如果可能的话，可以用一个或一个以上的传感器代替，即使一些元件在这一领域不存在，如在工业技术中的应用，尤其是在流体动力系统中仍然很少。此外，液压系统很复杂并且可以体验组件失效，在液压操控中，比如减少供应泵的压力，可能造成灾难性的后果。在这项工作中，上述的技术通过使用一种特定类型的监管系统,解决了电液伺服定位系统。一用非线性观察器，二应用沃尔德的序贯法检测故障的出现。实验验证通过检测技术和观察。本文组织如下。该试验台和它的数学模型,描述在第2段，第3段相关的文献,并用描述的故障检测方法进行了非线性观测器的设计和分析。第4段用观察器性能仿真结果描述活塞流速和压力以及错误的泵压力和传感器的故障。2实验设置与数学建模图1显示液压试验站,它包括一个用柔性胶管连接压力源及电液伺服比例阀的液压缸。泵输出流量可以设定为最高等级流量28升/分,以表示速度1800RPM泵压可调节达到250兆帕。阀是一种低成本的比例阀。定位阀芯是基于脉宽调制原理。阀的反应时间从中间到最大行程额定为120毫秒。图2显示实验站示意图，非线性方程描述流体分配阀的简单形式如下（扩建）0SPX（1）（缩进）SP（扩建）X（缩进）0SP（2）当用QI和Q0代表流入和流出的阀门的流体，KD为计量系数，W为开口面积梯度涉及阀芯位移,XSP为开口面DSPIIIRDSPOOKWXPQKX积。PS是泵压力，而PI和P0分别是投入与产出的压力线，PR是归还的压力。漏驱动器过活塞的油的连续性方程（3）IIIOOVXQIPAV图1实验的压力测试安置。图2简要的液压主动器1比例的活瓣2压力调整器3压力转换器4渐增编码器。当VX是主动器线速度，AI和A0为活塞有效的面积,B为液体的有效最大流量。VIX、VOX是在主动器和水管困住液体的体积,驱动器的位移,X。高阶非线性伺服阀模型的机械性能可以从调查一阶模型中输入电压，比例阀位移，开口面积的关系中发展出来。（4）1SPSPUXK当T和KSP描述阀的动力。方程描述活塞的动态（5）IODFPAMVF当M为主动器的质量，FD为黏摩擦。相等描述非线性系统（6）,0OXGTU定义矢量1234TTIOSPXVPX（1）（5）面积被排列为（XSP0和XSP0）11232421301434400DIOIIDSSPIIIRSIODRSPSSOSPSPVFXAMXPKXVXXAKXPXVXKU（7）结合驱动力方程5与连续性方程3，它可以容易地表明（6）的描述过程可以在下列形式的适当的变换,XGTUAXTFTUYC（8）当矩阵A和C及模型非线性函数FX,U如下,0,01,DIOIOFMVA（9）FX,U被定义如下12423434,00,0,DSSPIRSIDRSPOSSSPFXUKXPVFXFUKXXPVKFU（10）1234,0,TYX（11）3发展非线性观察器31非线性观察器设计在图3中展示了非线性观察器的结构。它从本质上直接延长线性观察器对非线性的情形。因此我们利用系统模型的结构设计一种不是标准形式的观察器。结果，我们从非线性动力系统中分离出线性的行为来实现一个完整的稳定的设计过程。这种方式满足了包括非线性系统在内的相当一般阶层的观察器。然而，充分保证系统的稳定性设计增益观察器是不容易的。在系统中，观察器利用一个测量值（比如速度）。速度和控制信号被当作观察器的输入,它的动力学形式为,XTYUT（12）基于这些输入,观察器估计系统的状态,和观察和测量部分之间的偏差。注意到预期的主动力可用一种非线性的控制方法跟踪，但是跟踪的稳定性需要通过各部分。应当注意雅普诺夫指出在那种情况下系统稳定。虽然这些条件只能确保局部渐近稳定，但是，整体的渐进稳定性是存在的并且也能够获得渐进稳定性的扩展。在这些条件下，该部分的偏差或残值ET为零，如图3所示图3非线性观察器的构成。给观察系统（7）一个动态输入YT、UT和输出ZT，如XTXT0并且T中XT是XT的一个估算量。当系统（8）是线性观察系统，有许多方法来设计观察器,其中最流行的是恒定增益观察器。自从机械的次要系统进行连续的输出测量后，对于全部的系统观察器设计在连续的时间内发生。然而，应先指出在那里存在不确定的期限（机械和液压系统动力学的非线性部分）。但是，在这一个结构中，自实际测量的输出速度V可以用于观察器，观察器判断的准确性被液压主动器模型支配。实际上，这些使粘度系数变化的因素是受温度的变化影响。从名义上的力学中分离观察器非线性系统动力学。系统的动态方程（12）输出，,XAKYHXU（13）注意到常态观察器也限于线性观测系统。在假设的基础上,加上必要的雅普诺夫条件，有一个矩阵T如AKCHXFX（14）此外，根据推断，在前提条件TI的情况下，在检测中一个观察的错误完全可能导致一对错误。结果，确定的状态矩阵A在式（13）中输出为KCETYZT（15）因此，矩阵的本真值可以通过选择合适的矩阵K作出对应于任何真正的矩阵。借助系统（12）的条件（15）式（13）变为，,XAHUKYCX（16）这里TZ此外，我们假设函数H是连续的，并符合下列李氏条件,NFXUHXR（17）当是一个常数，的存在的情况下证明了（17）是正确的，并且制定线性观察器的矩阵K是非常重要的，因为非线性观察器的特性取决于函数H的功能，（18）142230,SRSPAXPHUK如果在增益观察器矩阵K中取19,MINAX2Q那么（12）就会被显示。则观察器被式（16）定义是稳定的。至于对液压系统的调查来说，（7）（XSP0）表示系统的方案如下11122332344,00,0,DIOISORSPFAMXKAPVXUEKX（20）其中,KK1K2K3K4T代表矩阵的观测成果。直接的、粗略的说，平衡点X是局部稳定，如果所有的解决办法是靠近X而且一直靠近。注意到全部稳定的条件是可取的，但是（7），（9）的特征难以实现。另外，A，（15）的特征有负实部，这样对任何矩阵Q都有一个独特的矩阵P满足以下方程TKCPAQ（21）在XSP0的情况下有1241242333SSRRAPXAPXX（22）因此，矩阵Q和P要合理选择两个不等式（19）和（22）。增益矩阵K发现该部分的误差ET最终减小到趋向零，K907080012T并且182E30是常数。因此，在系统中观察的非线性期限在函数R的起源中满足李氏条件。因此，（15）的误差ET在（16）趋于零。我们下来将研究观察器的观察性能。误差表示为（15）。总结安全性和可靠性是成功的关键，特别是在危险的环境中。在文章中，我们提出了一种有非线性观测器的非线性电液伺服定位系统。无限的假设一直出于实际的方法，而不是用于通用目的。技术上的挑战是通过使用一种特定类型的监管体系1采用非线性观测,（2）结合沃尔德继续测试故障的出现。对于解决的存在的充份情况被呈现在哪一个在控制信号和失败模态中是相关的。非线性观察器只能被液压主动器的尺寸和输入信号驱动。事实上，我们处理物理系统的经验显示，李氏条件限制在实际工作范围内的过程，而收敛性的观察可以在扩大非线性函数和李氏函数的工作范围外得到保证，评价试验在观察和故障检测技术中体现。在正常的操作下显示了被观察部分总是跟随实际部分，从而证明了非线性观察器的良好表现。实验的结果也证实了沃尔德的继续测试对两种类型的错误的检测能力（1）不正确补给泵压力的错误，（2）感应器出错。目前的研究重点是扩建一个更为普遍的非线性系统，而问题在于对付一个强大的非线性的有依赖关系的各个子系统的输出系统的关注。MECHATRONICS15200510371059NONLINEAROBSERVERBASEDFAULTDETECTIONTECHNIQUEFORELECTROHYDRAULICSERVOPOSITIONINGSYSTEMSHKHANA,SERAPHINCABOUB,NSEPEHRICACANADIANSPACEAGENCY,MISSIONOPERATIONS,MONTREAL,CANADABDEPARTMENTOFMECHANICALENGINEERING,ECOLEDETECHNOLOGIESUPERIEURE,1100NOTREDARMEOUEST,MONTREAL,CANADAH3C1K3CDEPARTMENTOFMECHANICALANDMANUFACTURINGENGINEERING,THEUNIVERSITYOFMANITOBA,CANADAACCEPTED31MAY2005ABSTRACTTHEPURPOSEOFTHISPAPERISTOPRESENTANEXPERIMENTALEVALUATIONOFAMODELBASEDTECHNIQUEFORFAULTSINELECTROHYDRAULICSERVOPOSITIONINGSYSTEMSUSINGANONLINEAROBSERVERINGENERAL,AFAULTISDEFINEDASANUNDESIRABLEDEVIATIONOFACHARACTERISTICPROPERTY,WHICHPREVENTSADESIREDPURPOSETOBEACHIEVED,ANDWHICHLEADSTOANANOMALYINTHEOVERALLSYSTEMPERFORMANCEANONLINEAROBSERVERBASEDPRINCIPLE,COMBINEDWITHWALD_SSEQUENTIALTESTISPROPOSEDFORDETECTINGFAULTSTHEFAULTDETECTIONPROCESSISFACILITATEDBYTHECONTROLSIGNALANDTHEACTUATOR_SLINEARVELOCITY,WHICHARETHEMEASURABLEINPUTANDOUTPUTVARIABLES,RESPECTIVELYSIMULATIONSTUDIESARECONDUCTEDFORBOTHOBSERVERPERFORMANCEANDTHEFAULTDETECTIONTECHNIQUESYSTEMANDSENSORFAULTSARESIMULATEDFORCHANGESINTHEBULKMODULUSTHEVALIDITYOFTHENONLINEAROBSERVERWASCONFIRMEDBYSIMULATIONSANDEXPERIMENTSFORFAULTSDUETOINCORRECTSUPPLYPRESSURESASWELLASSENSORFAULTSRESULTSREVEALTHATFAULTSCANBEQUICKLYDETECTEDOVERALL,THEYSHOWTHEEFCACYANDTHEPROMISEOFTHEPROPOSEDSCHEME2005ELSEVIERLTDALLRIGHTSRESERVEDCORRESPONDINGAUTHOREMAILADDRESSSERAPHINABOUETSMTLCASCABOU09574158/SEEFRONTMATTER_2005ELSEVIERLTDALLRIGHTSRESERVEDDOI101016/JMECHATRONICS2005060101038HKHANETAL/MECHATRONICS15200510371059KEYWORDSNONLINEAROBSERVERSSUPERVISIONFAULTDETECTIONOBSERVERERRORDYNAMICSFLUIDPOWERSYSTEMS1INTRODUCTIONHYDRAULICSYSTEMSAREUSEDINMOSTINDUSTRIESWHEREHEAVYOBJECTSAREMANIPULATEDORLARGEFORCESAREEXERTEDEXAMPLESINCLUDEPICKANDPLACEROBOTS,POSITIONINGOFAIRCRAFTCONTROLSURFACES,IGHT/ROADSIMULATORS,ANDLOGLOADERSDUETOTHEIRLARGEVARIETYOFIMPLEMENTATIONS,ITISALWAYSVERYIMPORTANTTOHAVEHYDRAULICSYSTEMSOPERATINGEFCIENTLYITISALSONECESSARYTOHAVEARELIABLECONDITIONMONITORINGSCHEMETODETECTFAULTSINSUCHHIGHLYNONLINEARSYSTEMS,ASTHEYOCCUR3SEVERALTYPESOFFAULTSCANOCCURINHYDRAULICALLYPOWEREDSYSTEMSADROPINPUMPPRESSUREFORINSTANCE,COULDCAUSETHEACTUATORTOSTALLAGAINSTTHELOADINANAEROSPACEAPPLICATION,WHEREIGHTCONTROLSURFACESAREMOVEDBYHYDRAULICACTUATORS,THERECOULDBEDISASTROUSCONSEQUENCESIFTHEACTUATORSWERETOSTALLANOTHERCOMMONSOURCEOFFAULTSISLEAKAGEFROMACTUATORSANDSUPPLYLINESAHYDRAULICACTUATORCANSUFERFROMTWODIFERENTTYPESOFLEAKAGESLEAKAGEATTHEPISTONSEALORINTERNALLEAKAGE,ANDLEAKAGEATTHESHAFTSEALOREXTERNALLEAKAGEIFUNDETECTED,THELOSSOFUIDFROMTHESYSTEMCOULDRESULTINASUBSTANTIALDROPINLINEPRESSURES,EVENTUALLYLEADINGTOTHEHYDRAULICSYSTEMCEASINGTOOPERATE8AIRANDWATERCONTAMINATIONOFTHEHYDRAULICUIDCOMPRISETHETHIRDCOMMONCAUSEOFMALFUNCTIONINAHYDRAULICSYSTEMAIRTRAPPEDINTHESYSTEMWILLRESULTINASIGNIFICANTREDUCTIONINTHEEFECTIVEBULKMODULUSOFTHEUIDSIMILARLY,THEPRESENCEOFWATERINTHESYSTEMWILLMANIFESTITSELFASANINCREASEINTHEBULKMODULUSTHISAFECTSTHENATURALFREQUENCYOFTHEENTIRESYSTEM,ANDCANHAVESERIOUSIMPLICATIONSONTHEOVERALLSYSTEMPERFORMANCETHEOVERALLFAULTDETECTIONPROCESSCONSISTSOFTHEFOLLOWINGTWOSTEPSIGENERATIONOFRESIDUALSBYUSINGSTATEESTIMATION,ANDIIEVALUATIONOFTHERESIDUALSTHROUGHADECISIONLOGICAGREATDEALOFWORKHASBEENCARRIEDOUTONDEVELOPMENTOFFAULTDETECTIONANDISOLATIONFDISYSTEMSINTHEPASTDECADEADETAILEDSURVEYONEXISTINGTECHNIQUESHASBEENSUMMARIZEDBYISERMANN2USINGPARAMETRICAPPROACH,SONGANDSEPEHRI9SUCCESSFULLYSHOWEDAPOSSIBLEWAYFORDETECTINGPUMPFAILUREWHENTHEHYDRAULICSYSTEMOPERATESUNDERPERIODICINPUTSIGNALSALTERNATIVELY,TANANDSEPEHRI10APPLIEDTHEVOLTERRANONLINEARMODELINGCONCEPTTOIMPLEMENTANFDISCHEMEINHYDRAULICACTUATIONSYSTEMSRAJAMANI7PRESENTEDANOBSERVERDESIGNMETHODOLOGYFORACLASSOFNONLINEARSYSTEMSINWHICHTHENONLINEARITYISASSUMEDTOBELIPSCHITZFORTHESTABILITYANALYSISPURPOSES,ASYSTEMATICALGORITHMTOSOLVETHERICCATIINEQUALITYWASPROPOSEDNOTETHATMANYPHYSICALPROBLEMSOFTENHAVE,BYCONSTRUCTION,NONGENERICPROPERTYOFOBSERVABILITYFORANYINPUTHOWEVER,ITISOFTENOFINTERESTTOREACHOBSERVABILITYFEATURESTHATAREINDEPENDENTOFTHEINPUTSINORDERTOSEPARATECOMPLETELYTHESTATEOBSERVATIONPROBLEMFROMTHECONTROLSYNTHESISPROBLEMTHISLEADSTOTHEDEFINITIONOFTHECONCEPTOFCOMPLETEHKHANETAL/MECHATRONICS152005103710591039OBSERVABILITYANDTHECONDITIONSUNDERWHICHASYSTEMISCOMPLETELYOBSERVABLESUCHANAPPROACHWASUSEDBYYU12FORBILINEARSYSTEMSWHERETHEAPPLICATIONISRELATIVELYSIMPLERTHANTHENONLINEARCASESFAULTDETECTIONSCHEMESBASEDONSTATESPACEANALYSISHAVEALSOBEENUNDERCONSIDERATION,ANDVARIOUSNONLINEAROBSERVERSHAVEBEENDEVELOPEDFORTHISPURPOSESEETHESURVEYBYFRANK1ANDTHEREFERENCESTHEREINYUETAL13DEVELOPEDABILINEARFAULTDETECTIONOBSERVERFORAHYDRAULICMOTORLOADINGSYSTEMTODETECTTHEPUMPSHAFTSPEEDSENSORFAULTASWELLASCHANGESINTHEEFECTIVEVISCOUSCOEFCIENTINTHISPAPER,THEFACTTHATFUNCTIONSAREGLOBALLYLIPSCHITZ,WEASSUMETHATTHESYSTEMISOBSERVABLEFORANYINPUTHOWEVER,WEHAVECONSTRUCTEDTHEOBSERVERUNDERRATHERGENERALPRACTICALASSUMPTIONSTHATCONSIDERLIPSCHITZNONLINEARITYCONDITIONISSATISFIEDATLEASTLOCALLYINDEED,THISISAKINDOFEXTENDEDLUENBERGEROBSERVERINOTHERWORD,WEWEAKENTHECONCEPTOFOBSERVABILITYTOCONSIDERONLYPRACTICALJUSTIFICATIONTHEREFORE,ITMAYSUFCETOGETMEASURABLEOUTPUTFORANYINPUTSTOCONSIDERTHESYSTEMASLOCALLYOBSERVABLERESIDUALGENERATIONISALSOIMPORTANTFORFAULTDETECTION,ASITMAKESKNOWNTHESTATEOFTHESYSTEMHOWEVER,ITDOESNOTPROVIDESUFCIENTINFORMATIONABOUTTHEDETECTIONOFTHEFAULTUNLESSITISEVALUATEDUSINGASTATISTICALDECISIONMAKINGMETHODHEREIN,WEPROPOSETHEEVALUATIONOFRESIDUALSUSINGWALD_SSEQUENTIALTEST,AROBUSTSTATISTICALMETHODFORDETECTINGTHEOCCURRENCEOFAFAULTONEOFTHECHARACTERISTICSOFWALD_SMETHODISTHATTHENUMBEROFOBSERVATIONSREQUIREDISNOTDETERMINEDINADVANCEOFTHEEXPERIMENTTHEDECISIONTOTERMINATETHEEXPERIMENT,THEREFORE,DEPENDSATEACHSTAGE,ONTHERESULTSOFTHEOBSERVATIONSPREVIOUSLYMADESUBSEQUENTLY,THEWALDSEQUENTIALTESTFREQUENTLYRESULTSINSAVINGSOFABOUT110INTHENUMBEROFOBSERVATIONSOVERTHEMOSTEFCIENTOFOTHERTESTPROCEDURESBASEDONFIXEDNUMBERSOFOBSERVATIONSIFANINDIVIDUALSENSORISDETECTEDASBEINGTEMPORARILYORPERMANENTLYDEFECTIVE,ITSHOULDBEAUTOMATICALLYPHASEDOUTOFNORMALSYSTEMOPERATION,ANDIFPOSSIBLE,REPLACEDWITHONEORMOREALTERNATIVESENSORSEVENTHOUGHANUMBEROFPUBLICATIONSDOEXISTINTHISDOMAIN,THEINDUSTRIALAPPLICATIONOFTHETECHNIQUES,PARTICULARLYINUIDPOWERSYSTEMS,CONTINUESTOBESPARSEINADDITION,HYDRAULICSYSTEMSARECOMPLEXANDCANEXPERIENCECOMPONENTFAILURESINHYDRAULICMANIPULATORS,FORINSTANCE,ADROPINSUPPLYPUMPPRESSURETHATCAUSESACTUATORSTOSTALLCOULDHAVEDISASTROUSCONSEQUENCESINTHISWORK,THEABOVETECHNICALCHALLENGEAREADDRESSEDFORANELECTROHYDRAULICSERVOPOSITIONINGSYSTEMTHROUGHTHEUSEOFASPECIFICTYPEOFSUPERVISIONSYSTEM,IEMPLOYINGANONLINEAROBSERVER,ANDIIINCORPORATINGTHEWALDSEQUENTIALTESTTODETECTTHEOCCURRENCEOFAFAULTEXPERIMENTALVERIFICATIONSWERECONDUCTEDTOEVALUATEBOTHTHEOBSERVERANDTHEFAULTDETECTIONTECHNIQUEPERFORMANCESTHISPAPERISORGANIZEDASFOLLOWSTHEEXPERIMENTALTESTRIGANDITSMATHEMATICALMODELAREDESCRIBEDINSECTION2SECTION3OUTLINESAREVIEWOFRELEVANTLITERATURE,ANDTHEDESIGNANDANALYSISOFTHENONLINEAROBSERVER,FOLLOWEDBYADESCRIPTIONOFTHEMETHODFORFAULTDETECTIONSECTION4PRESENTSOBSERVERPERFORMANCESIMULATIONRESULTSFORPISTONVELOCITYANDPRESSURE,ANDEXPERIMENTALRESULTSFORINCORRECTPUMPPRESSUREASWELLASSENSORFAULTS1040HKHANETAL/MECHATRONICS152005103710592EXPERIMENTALSETUPANDMATHEMATICALMODELLINGFIG1SHOWSTHEHYDRAULICTESTSTATIONUSEDINCONDUCTINGEXPERIMENTSITCONSISTSOFAPRESSURESOURCEANDANELECTROHYDRAULICPROPORTIONALVALVECONNECTEDTOAHYDRAULICCYLINDERBYEXIBLEHOSESTHEOUTPUTOWOFTHEPUMPCANBESETTOAMAXIMUMOWRATINGOF28L/MIN,ATANOMINALSPEEDOF1800RPMTHEPUMPPRESSURECANBEREGULATEDTOUPTO250BARTHEVALVEISALOWCOSTPROPORTIONALVALVETHEPOSITIONINGOFTHEVALVESPOOLISBASEDONTHEPULSEWIDTHMODULATIONPRINCIPLETHEREACTIONTIMEOFTHEVALVEFROMTHENEUTRALPOSITIONTOMAXIMALSPOOLTRAVELISRATEDAT120MSFIG2SHOWSTHESCHEMATICDIAGRAMOFTHETESTSTATIONSHOWNINFIG1WITHREFERENCETOTHISFIGURE,THEGOVERNINGNONLINEAREQUATIONSDESCRIBINGTHEUIDOWDISTRIBUTIONINTHEVALVEAREWRITTENINTHEIRSIMPLESTFORMSASFOLLOWS12XSPP0EXTENSIONXSPQIVIXB_IPAIV3Q_OVOXB_OPAOVFIG1EXPERIMENTALHYDRAULICTESTSTATIONHKHANETAL/MECHATRONICS152005103710591041UP3PI4UPOPRDAIAOXQIQO1ANALOGANDDIGITALINTERFACEBOARDUXSPPS2MPRFIG2SCHEMATICOFHYDRAULICACTUATOR1PROPORTIONALVALVE2PUMPWITHPRESSUREREGULATOR3PRESSURETRANSDUCERAND4INCREMENTALENCODERWHEREVX_ISTHEACTUATOR_SLINEARVELOCITYAIANDAOARETHEPISTONEFECTIVEAREAS,BISTHEEFECTIVEBULKMODULUSOFTHEHYDRAULICUIDVIXANDVOXARETHEVOLUMESOFTHEUIDTRAPPEDATTHESIDESOFTHEACTUATOR,INCLUDINGHOSES,ANDAREFUNCTIONSOFACTUATORDISPLACEMENT,XALTHOUGHHIGHERORDERNONLINEARMODELSOFTHEMECHANICALBEHAVIOUROFSERVOVALVESCANBEDEVELOPEDFROMTHERELATIONSHIPBETWEENTHESPOOLDISPLACEMENT,XSPANDTHEINPUTVOLTAGE,U,FORTHEPROPORTIONALVALVEUNDERINVESTIGATIONASAFIRSTORDERMODELISSUFCIENT,5,11USKSPX_SP1KSPXSP4WHERESANDKSPAREGAINSDESCRIBINGTHEVALVEDYNAMICSTHEEQUATIONDESCRIBINGTHEDYNAMICSOFTHEPISTONISFPA_PAMV_FDVWHEREMISTHEMASSOFTHEACTUATORANDFDISTHEEQUIVALENTVISCOUSFRICTIONCONSIDERTHENONLINEARSYSTEMDESCRIBEDBYTHEEQUATIONS_X_GXTUTX0XODEFININGTHESTATEVECTORIIOOX1XX2X3TX4_VPITPOXSP_56EQS15AREREARRANGEDASXSPP0ANDXSPX1_8X2_X_3_IP_IP_OP最_BVIBVIBVOBVO_AIX1KDXX4_AIX1KDXX4AOX1_KDXX4AOX1_KDXX4PFFFFFFFFFFFFFFPS_X2_PFFFFFFFFFFFFFFX2_PR_XSPP0XSPX3_X_4XSP_OP昀_1PFFFFFFFFFFFFFFX3_PR_PFFFFFFFFFFFFFFPS_X3_KSPU_X4_SCOMBININGTHEDRIVINGFORCEINEQ5WITHTHECONTINUITYEQUATION3,ITCANEASILYBESHOWNTHATTHEPROCESSDESCRIBEDINEQ6CANBEBROUGHTINTHEFOLLOWINGFORMBYSUITABLETRANSFORMATIONSX_GXTUTAXTFXTUTYTCXT8WHEREMATRICESAANDCANDTHENONLINEARTERMSFX,UOFTHESTATEMODEL,ASFOLLOWS23FD6M6BAI66_6A666664VIBAOVO0AIM000000AOM0001S77777777775AND9FX,UISDEFINEDASFOLLOWS8FX1U08FXUFXU22BVIBVIKXXDPFFFFFFFFFFFFFFPS_XPFFFFFFFFFFFFFFX2_PRPFFFFFFFFFFFFFF24KDXX4BXP0SPXSPFX3U_FXU4KSPSUKDXX4KDXX4VOBVOX3_PRPFFFFFFFFFFFFFFPS_X310TY1000_X111X2X3X4_HKHANETAL/MECHATRONICS152005103710593DEVELOPMENTOFNONLINEAROBSERVER31NONLINEAROBSERVERDESIGN1043FIG3SHOWSTHESTRUCTUREOFTHENONLINEAROBSERVERUSEDINTHISPAPERITISESSENTIALLYDIRECTEXTENSIONOFLUENBERGER_SLINEAROBSERVERTOTHENONLINEARCASE3WETHEREFORETAKEADVANTAGEOFTHESTRUCTUREOFTHESYSTEMMODELTODESIGNTHEOBSERVERTHATISNOTINASTRICTCANONICALFORMASARESULT,WEHAVESEPARATEDTHELINEARBEHAVIORFROMTHENONLINEARSYSTEMDYNAMICS,TOACHIEVEACOMPLETESTABILITYDESIGNPROCEDURETHISAPPROACHSATISFIESAFAIRLYGENERALCLASSOFOBSERVERS,ANDCOVERSTHENO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