非光滑三明治系统的软测量与故障诊断技术研究 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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周祖鹏 等 著

图书标签:

• 软测量
• 故障诊断
• 三明治系统
• 非光滑
• 过程控制
• 状态估计
• 数据驱动
• 工业过程
• 建模与识别
• 优化算法

出版社： 华中科技大学出版社

ISBN：9787568016032

版次：1

商品编码：11944440

包装：平装

开本：16开

出版时间：2016-05-01

用纸：胶版纸

页数：140

字数：175000

正文语种：中文

内容简介

　　《非光滑三明治系统的软测量与故障诊断技术研究》内容包括绪论、非光滑三明治系统的描述方法、非光滑三明治系统状态的软测量方法、软测量观测器的收敛性分析、非光滑三明治系统的鲁棒软测量方法、非光滑三明治系统的故障预报技术、复合非光滑三明治系统的软测量、总结与展望等八大部分，具体介绍了非光滑三明治系统的描述方法，阐述了非光滑三明治系统的软测量观测器与鲁棒软测量观测器的构造方法及其收敛性，给出了非光滑软测量观测器的应用实例，给出了非光滑三明治系统的故障预报技术及其应用实例，最后说明了复合非光滑三明治系统软测量方法及其应用等。
　　《非光滑三明治系统的软测量与故障诊断技术研究》可作为高等院校自动化、机械和机电一体化等相关专业研究生的学习参考书，还可作为从事非线性系统研究的相关研究人员的参考资料。

目录

第1章 绪论
1．1 引言
1．2 研究现状
1．3 研究意义
1．4 主要内容和安排

第2章 非光滑三明治系统的描述方法
2．1 引言
2．2 死区三明治系统模型
2．3 间隙三明治系统模型
2．4 迟滞三明治系统模型
2．5 模型比较分析
2．6 结论

第3章 非光滑三明治系统状态的软测量方法
3．1 引言
3．2 死区三明治系统的非光滑状态估计观测器
3．3 间隙三明治系统的非光滑状态估计观测器
3．4 迟滞三明治系统的非光滑状态估计观测器
3．5 结论

第4章 软测量观测器的收敛性分析
4．1 引言
4．2 死区三明治系统的非光滑状态估计观测器收敛性分析
4．3 间隙三明治系统的非光滑状态估计观测器收敛性分析
4．4 迟滞三明治系统的非光滑状态估计观测器收敛性分析
4．5 结论

第5章 非光滑三明治系统的鲁棒软测量方法
5．1 引言
5．2 动态鲁棒状态估计观测器设计
5．3 仿真与实验说明
5．4 结论

第6章 非光滑三明治系统的故障预报技术
6．1 引言
6．2 鲁棒故障预报观测器设计
6．3 仿真说明
6．4 结论

第7章 复合非光滑三明治系统的软测量
7．1 引言
7．2 复合三明治系统的软测量
7．3 复合非光滑观测器的结构
7．4 复合非光滑观测器的收敛性
7．5 案例说明

第8章 总结与展望
8．1 对研究工作的总结
8．2 对未来研究工作的展望

附录A 死区三明治系统观测器收敛定理证明
附录B 间隙三明治系统观测器收敛定理证明
附录C 迟滞三明治系统观测器收敛定理证明
参考文献

《非光滑三明治系统的软测量与故障诊断技术研究》 第一章 绪论 1.1 研究背景 现代工业生产日益复杂化、集成化，对生产过程的精确控制和实时监测提出了更高的要求。然而，许多关键工业过程，例如化工、冶金、制药等领域，往往存在一些难以直接测量的重要参数，这些参数的精确获取对于优化工艺、保证产品质量、提高生产效率至关重要。同时，工业设备的故障诊断是保障生产安全、降低经济损失的重要环节。传统的故障诊断方法依赖于大量的传感器和复杂的硬件设备，不仅成本高昂，且在某些极端工况下可能无法有效工作。在这种背景下，利用易于测量的辅助变量来估计难以直接测量的关键变量（即软测量技术），以及通过对过程运行状态的分析来识别和诊断故障（即故障诊断技术），成为了提升工业过程自动化水平、降低运行成本、保障生产安全的重要研究方向。 非光滑系统，因其在许多实际应用中的普遍性，例如接触力学、摩擦、开关电路、经济模型等，一直是控制理论和应用领域的研究热点。这些系统通常包含不连续的动态行为，给建模、控制和状态估计带来了巨大的挑战。三明治系统作为一类特殊的非光滑系统，因其在结构和性能上的独特性，在复合材料制造、微机电系统、生物医学工程等领域展现出重要的应用价值。理解和控制三明治系统的非光滑特性，并在此基础上实现对其关键参数的软测量和运行状态的故障诊断，具有重要的理论意义和实际应用价值。 1.2 研究意义 本研究旨在深入探索非光滑三明治系统的软测量与故障诊断技术。其意义体现在以下几个方面： 理论意义： 拓展非光滑系统理论： 针对非光滑三明治系统的独特性，探索适用于此类系统的软测量模型构建方法，克服非光滑性带来的模型复杂性和分析困难，深化对非光滑系统状态估计和模型辨识的认识。 提升软测量技术： 针对三明治系统动态特性，开发更鲁棒、更精确的软测量模型，克服传统软测量方法在非光滑系统中的局限性，为其他复杂非光滑系统的软测量提供新的思路和方法。 创新故障诊断策略： 结合非光滑系统的特点，研究适用于此类系统的故障模式，开发更有效的故障检测、隔离和估计方法，提高故障诊断的准确性和实时性。 实践意义： 提高生产效率与产品质量： 通过软测量技术，实时获取三明治系统中难以测量的关键参数，为精确控制提供依据，从而优化工艺参数，提高产品质量和生产效率。 降低生产成本： 减少对昂贵传感器的依赖，降低硬件投入和维护成本。同时，通过及时准确的故障诊断，避免生产中断和设备损坏，减少经济损失。 保障生产安全： 及时发现潜在的设备故障和工艺异常，提前采取措施，防止事故发生，确保生产过程的安全稳定运行。 推动相关产业发展： 本研究成果可应用于复合材料制造、微电子封装、生物传感器等领域，促进相关产业的技术进步和竞争力提升。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 软测量技术研究现状 软测量技术，又称虚拟测量或在线估计算法，是指利用过程的易测量变量（输入变量、操纵变量、部分可测状态变量等）和过程模型，通过数学运算来估计难以直接测量的关键变量（输出变量、核心状态变量等）。自20世纪80年代以来，软测量技术得到了广泛的研究和应用。 模型驱动方法： 基于机理的数学模型，如质量守恒、能量守恒、动量守恒等，是传统的软测量方法。然而，对于复杂、非线性的工业过程，建立精确的机理模型往往非常困难。 数据驱动方法： 随着大数据和人工智能技术的发展，数据驱动的软测量方法得到了蓬勃发展。常用的方法包括： 统计建模方法： 如偏最小二乘（PLS）、主成分回归（PCR）、多元线性回归（MLR）等。这些方法能够处理高维、强相关的数据，在预测精度和鲁棒性方面表现出色。 机器学习方法： 如支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANN）、极限学习机（ELM）、深度学习（DL）等。这些方法具有强大的非线性建模能力，能够捕捉复杂的数据关系。 混合建模方法： 结合机理模型和数据模型，充分发挥各自优势，实现更高的预测精度和更强的泛化能力。 在非光滑系统领域，软测量技术的应用面临一些挑战，如模型的不连续性、状态的不确定性等。因此，针对非光滑系统的软测量模型构建，需要特别考虑这些特性，例如利用分段模型、模糊逻辑、滑模观测器等方法。 1.3.2 故障诊断技术研究现状 故障诊断是指通过分析过程的运行数据，检测、识别和评估系统故障的过程。其目标是及时发现偏离正常运行状态的异常，并确定故障的性质、位置和严重程度。 基于模型的方法： 解析冗余方法： 利用过程模型建立数学方程，通过比较模型预测值与实际测量值之间的误差来检测故障。例如，基于状态估计算法的故障诊断，如卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器（EKF）、无迹卡尔曼滤波器（UKF）等，可以估计系统状态，并用于故障检测。 基于代数的方法： 利用系统方程的代数结构，如故障解耦、故障模型等，来检测和诊断故障。 基于数据的方法： 统计模式识别方法： 如主成分分析（PCA）、独立成分分析（ICA）、统计过程控制（SPC）等，通过分析数据的统计特征来检测异常。 机器学习方法： 如支持向量机（SVM）、神经网络（ANN）、决策树、随机森林等，可以学习正常运行模式，并识别偏离正常模式的故障。 信号处理方法： 如傅里叶变换、小波变换等，用于分析信号的频率成分，检测故障引起的信号变化。 对于非光滑系统，故障诊断的挑战在于故障可能导致系统进入不同的光滑区域，或者引起不连续性的改变。因此，需要开发能够处理系统状态突变和非连续性的故障诊断方法。滑模观测器在处理非线性和不确定性方面表现出色，近年来在非光滑系统的故障诊断中得到了越来越多的关注。 1.3.3 三明治系统及其相关研究 三明治系统通常由两层基材和中间的夹层材料组成，具有轻质高强、优良的隔热隔音性能等优点，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。然而，三明治结构的制造过程，如复合材料的成型、粘接等，往往涉及到复杂的物理化学过程，例如固化反应、材料变形、热应力等，这些过程可能呈现出非光滑的特性。 当前针对三明治系统的研究主要集中在： 结构力学性能研究： 分析三明治结构的承载能力、抗冲击性能、振动特性等。 材料科学研究： 开发新型的夹层材料和基材，优化材料性能。 制造工艺研究： 优化成型、固化、粘接等工艺参数，提高制造精度和产品质量。 无损检测技术： 利用超声波、X射线等技术检测三明治结构的内部缺陷。 然而，针对非光滑三明治系统的软测量和故障诊断的深入研究尚显不足。特别是将软测量技术应用于估算三明治结构内部的关键物理参数（如界面剪切应力、夹层应力等），以及利用过程数据进行故障诊断，是亟待解决的问题。 1.4 本书研究内容与结构安排 本书将围绕“非光滑三明治系统的软测量与故障诊断技术”这一主题，展开深入的研究。主要研究内容包括： 第一章 绪论： 介绍研究背景、研究意义、国内外研究现状，并阐述本书的研究内容和结构安排。 第二章 非光滑三明治系统建模： 分析三明治系统的典型结构和物理特性，识别其中可能存在的非光滑现象。 研究适用于非光滑三明治系统的数学建模方法，包括基于机理的建模和数据驱动的建模。 重点探讨如何处理非光滑性在模型中的体现，例如引入开关函数、分段函数等。 第三章 非光滑三明治系统的软测量技术： 基于建立的系统模型，研究用于估算三明治系统中关键但难以测量参数的软测量方法。 重点研究适用于非光滑系统的软测量模型，可能包括基于观测器的方法（如滑模观测器）、基于机器学习的方法（如神经网络、支持向量机）、以及混合方法。 探讨软测量模型的设计原则、性能评估指标和鲁棒性分析。 第四章 非光滑三明治系统的故障诊断技术： 分析三明治系统可能出现的典型故障模式，如界面脱粘、夹层开裂、材料老化等。 研究适用于非光滑系统的故障检测、诊断和隔离（FDI）方法。 可能的研究方向包括基于状态估计算法的故障诊断、基于残差分析的故障诊断、以及结合机器学习的故障诊断方法。 重点考虑故障对系统非光滑特性的影响，以及如何有效地识别这些影响。 第五章 仿真与实验验证： 通过仿真实验，验证所提出的软测量和故障诊断方法的有效性和性能。 在可能的情况下，通过实验数据对所开发的方法进行验证，评估其在实际应用中的潜力。 第六章 结论与展望： 总结本书的研究成果，并分析其理论和实践意义。 指出本研究存在的不足，并对未来研究方向进行展望。 本书力求在理论层面深入探讨非光滑三明治系统的特点，并在此基础上开发切实有效的软测量和故障诊断技术，为该类系统的工程应用提供理论指导和技术支持。

评分☆☆☆☆☆

这本书的作者在“非光滑”这个概念上做足了功课，从理论到实践，都进行了非常细致的梳理。我之前接触过一些关于非光滑动力学的文献，但通常都比较零散，且聚焦于某一特定领域。这本书的独特之处在于，它将“非光滑”的概念应用到“三明治系统”这个相对具象化的对象上，并且在此基础上，发展出了一套完整的软测量和故障诊断技术。我尤其喜欢书中对“非光滑”特性的多维度刻画，比如从材料本身的微观形貌，到宏观界面上的接触压力分布，再到动态过程中的摩擦行为变化。这些多层面的描述，让我能够更全面地理解“非光滑”是如何在系统内部产生影响的。书中关于软测量技术的探讨，也让我看到了在复杂系统中进行状态监测的另一种可能。它不再是依赖于传统的传感器网络，而是通过挖掘现有数据中的潜在信息，来达到监测的目的。这对于很多成本高昂、安装不便或者不适合直接测量的场景，具有非常重要的意义。总的来说，这本书为我打开了一个新的研究领域。

评分☆☆☆☆☆

我一直对复杂系统中的异常检测和故障预警很感兴趣，尤其是那些非线性和不确定性很强的系统。这本书恰好切入了我的关注点，并且在“非光滑三明治系统”这个特定的领域里，给出了非常扎实的研究成果。我特别欣赏书中在故障诊断部分的处理方式。作者没有停留在简单地罗列故障模式，而是深入分析了“非光滑”特性如何诱发和加剧各种故障。例如，书中详细探讨了由于界面滑动、摩擦特性变化等非光滑因素，是如何导致能量耗散增加、结构稳定性下降，最终引发系统失效的。更让我印象深刻的是，作者提出的故障诊断模型，并不是一种“一刀切”的通用模型，而是能够根据系统的具体非光滑特性进行调整和优化。书中通过模拟实验和实际数据分析，展示了模型的有效性，让我对如何精准定位和判断非光滑系统中的故障有了更深的理解。读这本书，我感觉自己就像走进了一个精密的设计实验室，每一个章节都在揭示一个隐藏在“三明治”结构中的工程奥秘，而故障诊断则是最终的“解谜”环节。

评分☆☆☆☆☆

我是一名从事机械振动分析的研究者，长期以来，我们面临的一个挑战是如何有效监测和诊断那些由于复杂接触和摩擦引起的振动异常。这本书为我提供了一个全新的视角。书中对“非光滑三明治系统”的定义，可以很好地映射到我们实际遇到的许多包含多层结构和复杂界面的机械设备中。我特别关注的是书中关于“软测量”在故障诊断中的应用。很多时候，我们无法直接监测到关键的接触力、摩擦力等参数，而这些参数往往是导致设备故障的根本原因。这本书提出了一种通过监测易于获取的宏观信号（例如位移、加速度等），反推出这些难以直接测量的关键参数的方法。书中对非光滑特性与故障模式的关联性分析，也给了我很多启发。比如，书中详细阐述了由于界面非光滑引起的动力学耦合、能量传递路径变化等，是如何导致谐波成分增加、共振频率偏移等典型的故障特征的。这本书的实用性很强，很多章节的内容可以直接应用到我的实际工作中。

评分☆☆☆☆☆

这是一本让我读完后，对“非光滑”这个概念有了全新认识的书。在此之前，“非光滑”对我来说，更多的是一种物理上的直观感受，比如接触不良、摩擦起伏等等。但这本书通过对“非光滑三明治系统”的深入剖析，将这个概念延展到了更抽象、更系统化的层面。我原本以为这会是一本偏重理论、充斥着复杂数学公式的书籍，但出乎意料的是，作者在理论推导的同时，巧妙地融入了大量实际工程案例，让那些抽象的“非光滑”特性变得生动可感。比如，在讨论某个具体三明治结构的接触面特性时，书中详细阐述了如何通过微观形貌的差异，以及不同材料组合带来的界面力学行为，来量化“非光滑”程度。这种从宏观系统到微观细节的严谨分析，让我第一次意识到，即便是看似简单的“三明治”结构，其内部隐藏的非光滑特性，对整体系统的性能和稳定性，能产生如此巨大的影响。书中关于软测量技术的应用，更是让我眼前一亮，它提供了一种在不直接测量关键参数的情况下，通过间接观测数据来推断系统状态的方法，这对于很多难以直接观测的非光滑系统来说，无疑是一种革命性的思路。

评分☆☆☆☆☆

说实话，刚拿到这本书的时候，我对于“三明治系统”和“软测量”这两个概念的结合点，并没有一个清晰的认识。我以为“三明治”只是一个比喻，而重点在于“软测量”。但随着阅读的深入，我逐渐发现，“非光滑”的特性才是连接这两者的关键。书中对“非光滑”概念的定义和分类，非常有条理，并且深入到物理和数学的层面。它解释了为什么在某些三明治结构中，材料的界面、层间的接触，甚至是内部的微观结构，都可能表现出非光滑的性质，而这种性质又如何影响着系统的动态响应。关于软测量技术的部分，则是在此基础上，探讨如何利用这些非光滑特性产生的间接信号，来监测系统的运行状态。书中提供的一些算法和模型，虽然涉及到一定的专业知识，但作者的讲解方式相对易懂，并且通过大量图表和算例，帮助读者理解算法的原理和应用。这本书的价值在于，它不仅解决了“怎么测量”的问题，更重要的是，它让我们理解了“为什么能测量”以及“测量的是什么”。