基于多项式混沌的概率鲁棒故障检测及其统计性能极限分析

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61803163
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    27.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0301.控制理论与技术
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

The industrial applications evaluate fault detection performance with false alarm rate (FAR) and fault detection rate (FDR). In contrast, the conventional robust fault detection approaches rely on robustness and sensitivity criteria which are indirectly related to the above statistical indices, hence the resulting design would not always guarantee satisfactory FAR and FDR. In the probabilistic framework, the optimal design and statistical performance limit analysis with respect to FAR and FDR are not fully solved due to the following challenges. Firstly, it requires to compute the evolving probabilistic distribution of non-Gaussian system behavior, and its approximate computation often relies on randomized sampling which suffers from high online computational complexity. Secondly, it is challenging to deal with the non-Gaussian distribution of the system behavior in the optimal design and performance evaluation. To address these problems for non-Gaussian systems with probabilistic parametric uncertainties, a probabilistic robust fault detection framework is investigated: 1) for residual generation, propose a computationally efficient approach to quantify the evolving probabilistic distributions of non-Gaussian residuals, by exploiting polynomial chaos theory without resorting to online randomized sampling; 2) for residual evaluation, formulate a chance constrained optimization problem by exploiting the polynomial chaos expansions of residuals, such that the detection statistics and thresholds are designed to guarantee a predefined FAR and maximize the FDR; 3) for performance evaluation, analyze the limits of FAR and FDR which are independent of the implemented detection algorithm; 4) demonstrate the effectiveness of the above proposed methods using a lithium battery simulator.
实际工业应用采用误报率和检测率评价故障检测性能;而传统鲁棒故障检测方法使用的鲁棒性、敏感性指标只是上述统计性能的间接反映,因此不一定实现满意的误报率和检测率。随机框架下直接针对误报率和检测率的优化设计和性能极限分析目前并未完满解决,其难点在于:需要计算非高斯系统行为的概率分布演化,其近似计算方法多使用随机采样,导致在线计算复杂度较高;系统行为概率分布的非高斯性也给优化设计和性能评估带来困难。考虑到上述现状,本项目针对带有随机模型参数的非高斯系统,研究概率鲁棒故障检测方法:1)在残差生成中,利用多项式混沌理论提出非高斯残差概率分布演化的高效率计算方法,避免了在线随机采样;2)在残差评价中,利用残差的多项式混沌展开式,将满足误报率并最大化检测率的设计目标描述为机会约束优化问题,设计指示故障的检测量和检测阈值;3)分析独立于具体检测算法的误报率和检测率极限,用于性能评估;4)锂电池仿真系统验证。

结项摘要

在随机不确定因素的影响下,故障检测系统设计如何保证误报率并最大化检测率的问题并未在现有鲁棒故障检测理论中得到完满解决。为此,本项目针对带有随机不确定参数的非高斯系统,利用多项式混沌理论和分布鲁棒优化技术,研究概率鲁棒故障检测方法和统计性能极限分析,取得了以下成果:1)针对一类带有随机不确定参数的线性变参数系统,构造了依赖于不确定参数的多项式等价矩阵,提出了保证误报率水平的故障检测方法;2)针对带有随机不确定参数的动态系统,提出了基于多项式混沌理论的概率鲁棒观测器-控制器优化设计方法,能够处理范数有界、多面体等传统不确定描述无法直接表达的非线性不确定性结构;3)针对非高斯噪声的不确定概率分布,引入概率分布的模糊集合进行描述,提出了基于分布鲁棒优化的等价空间故障检测方法,在满足最坏情况下最大误报率的条件下优化最坏情况下的最小检测率;4)为实现锂电池仿真模型和实验数据上的算法验证,针对参数依赖于荷电状态的锂电池非线性等效电路提出了方向遗忘最小二乘辨识和基于高斯过程回归的线性变参数模型辨识,并在此基础上成功验证了锂电池荷电状态的滚动时域估计算法和概率鲁棒故障检测算法。本项目已正式发表7篇SCI期刊论文(包含1篇Automatica长文)和4篇EI会议论文,已录用待发表2篇SCI期刊论文(包含1篇IEEE Trans. on Automatic Control),已申请发明专利2项(其中1项获得授权)。综上所述,本项目不仅在概率鲁棒故障检测研究上取得了创新性理论成果,而且在锂电池仿真系统和实验数据上验证并得到满意效果,因此具有理论意义和应用价值。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(4)
专利数量(2)
A Polynomial Chaos Approach to Robust H-infinity Static Output-Feedback Control with Bounded Truncation Error
具有有界截断误差的鲁棒H无穷静态输出反馈控制的多项式混沌方法
  • DOI:
    10.1109/tac.2022.3140275
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Automatic Control
  • 影响因子:
    6.8
  • 作者:
    Yiming Wan;Dongying E. Shen;Sergio Lucia;Rolf Findeisen;Richard D. Braatz
  • 通讯作者:
    Richard D. Braatz
A data imputation method for multivariate time series based on generative adversarial network
基于生成对抗网络的多元时间序列数据插补方法
  • DOI:
    10.1016/j.neucom.2019.06.007
  • 发表时间:
    2019-09-30
  • 期刊:
    NEUROCOMPUTING
  • 影响因子:
    6
  • 作者:
    Guo, Zijian;Wan, Yiming;Ye, Hao
  • 通讯作者:
    Ye, Hao
State-of-charge dependent equivalent circuit model identification for batteries using sparse Gaussian process regression
使用稀疏高斯过程回归进行电池充电状态相关等效电路模型识别
  • DOI:
    10.1016/j.jprocont.2021.12.012
  • 发表时间:
    2022-04
  • 期刊:
    Journal of Process Control
  • 影响因子:
    4.2
  • 作者:
    Kesen Fan;Yiming Wan;Benben Jiang
  • 通讯作者:
    Benben Jiang
Real-time energy-efficient optimal control of high-speed electric train
高速电动列车实时节能优化控制
  • DOI:
    10.1016/j.conengprac.2021.104825
  • 发表时间:
    2021-07
  • 期刊:
    Control Engineering Practice
  • 影响因子:
    4.9
  • 作者:
    Hao Zhou;Yiming Wan;Hao Ye;Ming Jiang;Jia Wang
  • 通讯作者:
    Jia Wang

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其他文献

存在时延、丢包和量化误差的网络化控制系统故障检测方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    南京航空航天大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李斌;万一鸣;叶昊
  • 通讯作者:
    叶昊

其他文献

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面向近底航行安全的自主水下航行器递阶重构容错控制与规划
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    面上项目

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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