基于滑模的電機(jī)伺服系統(tǒng)加性故障檢測和容錯控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)電伺服容錯控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于滑模的電機(jī)伺服系統(tǒng)加 性故障檢測和容錯控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代化工業(yè)的大踏步向自動化、精密化發(fā)展，隨之而來的對傳動系統(tǒng)的要求 也越來越高，這種趨勢在各個行業(yè)里表現(xiàn)的越來越突出。電機(jī)伺服系統(tǒng)以其高精度、響應(yīng)速 度快等優(yōu)勢在各大領(lǐng)域的傳動系統(tǒng)中廣泛運用，并占據(jù)著主導(dǎo)地位。同時，隨著各大領(lǐng)域?qū)?電機(jī)伺服系統(tǒng)的要求越來越高，電機(jī)伺服系統(tǒng)的精密和復(fù)雜程度也越來越高，對電機(jī)伺服 設(shè)備的維護(hù)要求也越來越高。因為現(xiàn)代電機(jī)伺服系統(tǒng)中各個部分聯(lián)系非常緊密，一旦發(fā)生 故障，將產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致不可預(yù)測的災(zāi)難性事故，特別是對于一些安全至上的系統(tǒng)，如 化工系統(tǒng)、核電站、飛行器等，故對于這些安全至上的系統(tǒng)，常常采用相對安全的可靠性設(shè) 計方案，但這樣只是一些被動性的防止故障的發(fā)生，仍然可能會發(fā)生災(zāi)難性事故。
[0003] 電機(jī)伺服系統(tǒng)具有高組合性和高復(fù)雜性，會對系統(tǒng)分析和故障檢測造成很大障 礙，對于一般的電機(jī)伺服系統(tǒng)，常常采用的方法是在線性簡化分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。而對 于復(fù)雜、有較高精度要求的系統(tǒng)而言，要想獲得精確的結(jié)果，實驗工作量和時間都會大幅度 增長。而對電機(jī)伺服系統(tǒng)進(jìn)行故障實驗分析，也面臨著許多問題。主要表現(xiàn)在：系統(tǒng)內(nèi)部動 力傳遞封閉，參數(shù)可測性差，故障信息難以提??；故障的特征、原因普遍存在模糊性，表現(xiàn)為 同一故障可能由不同的原因造成，同一故障可能會產(chǎn)生不同的故障特征，不同的故障也可 能引起相同的故障特征，多故障并發(fā)時故障特征更加復(fù)雜，給系統(tǒng)的狀態(tài)檢測及在線故障 診斷帶來困難，這些問題一直困擾著電機(jī)伺服設(shè)備的維護(hù)和使用人員。
[0004] 近年來，隨著信號處理技術(shù)、人工智能技術(shù)和控制理論等基礎(chǔ)學(xué)科的迅速發(fā)展，電 機(jī)伺服系統(tǒng)故障檢測在國內(nèi)外得到了廣泛重視并取得了重要進(jìn)展。一般來說，故障檢測可 以分為基于信號的故障檢測和基于模型的故障檢測。其中基于信號的故障檢測依賴于信號 測量及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提取故障特征以評估系統(tǒng)是否異常；而基于模型的故障檢測則利用 冗余的系統(tǒng)解析模型輸出與系統(tǒng)真實輸出產(chǎn)生殘差，進(jìn)而判別系統(tǒng)故障與否?；谛盘柕?故障檢測較準(zhǔn)確、虛警率較低，但數(shù)據(jù)處理量較大；而基于模型的故障檢測則依賴于較準(zhǔn)確 的系統(tǒng)模型，易于在線實現(xiàn)，但故障檢測的魯棒性與敏感性權(quán)衡困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于滑模的電機(jī)伺服系統(tǒng)加性故障檢測和主動容錯 的連續(xù)滑?？刂品椒?。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于滑模的電機(jī)伺服系統(tǒng)加性故障檢測 和容錯控制方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1，建立包含加性故障描述的電機(jī)伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；
[0008] 步驟2,設(shè)計滑模干擾觀測器，觀測加性故障水平并證明觀測的準(zhǔn)確性；
[0009] 步驟3,根據(jù)所觀測的加性故障水平設(shè)計主動容錯控制器；
[0010] 步驟4,根據(jù)李雅普諾夫非線性穩(wěn)定性原理證明系統(tǒng)全局漸近穩(wěn)定。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是：（1)本發(fā)明可設(shè)定合理的故障容忍程度 保證系統(tǒng)無故障時各種模型不確定性造成的影響始終在所設(shè)計的故障容忍度的范圍內(nèi)，確 保系統(tǒng)無虛警，提高故障檢測的魯棒性；(2)本發(fā)明可在線觀測系統(tǒng)的加性故障水平，不影 響系統(tǒng)的控制性能的同時保證加性故障檢測的實時性，做到對輕微故障的主動漏檢、容錯 控制和對嚴(yán)重故障的及時告警；（3)本發(fā)明設(shè)計的主動容錯控制器并行處理系統(tǒng)固有的不 確定特性和已發(fā)生的加性故障特性，有效抵消故障造成的不利影響，恢復(fù)系統(tǒng)（部分）控制 性能，達(dá)到對服役狀態(tài)下的電機(jī)伺服系統(tǒng)故障的應(yīng)急掌控，確保系統(tǒng)安全的目的。（4)本發(fā) 明基于滑?？刂品椒ㄔO(shè)計的主動容錯控制器為一連續(xù)滑?？刂破鳎嘶？刂频亩墩?問題。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的基于滑模的電機(jī)伺服系統(tǒng)加性故障檢測和容錯控制方法流程圖。
[0013] 圖2為本發(fā)明電機(jī)伺服系統(tǒng)的原理圖。
[0014] 圖3為本發(fā)明的基于滑模的電機(jī)伺服系統(tǒng)加性故障檢測和容錯控制方法原理示 意圖。
[0015] 圖4為本發(fā)明實施例中無故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在原控制器下作用下系統(tǒng)輸 出對期望指令的跟蹤曲線圖。
[0016] 圖5為本發(fā)明實施例中無故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在原控制器作用下系統(tǒng)的跟 蹤誤差隨時間的變化曲線圖。
[0017] 圖6為本發(fā)明實施例中無故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在滑模干擾觀測器作用下的 在線故障觀測曲線和容忍程度曲線圖。
[0018] 圖7為本發(fā)明實施例中無故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在滑模干擾觀測器作用下的 在線故障標(biāo)識曲線圖。
[0019] 圖8為本發(fā)明實施例中突發(fā)故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在主動容錯控制器下作用 下系統(tǒng)控制輸入隨時間變化的曲線圖。
[0020] 圖9為本發(fā)明實施例中突發(fā)故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在原控制器下作用下系統(tǒng) 輸出對期望指令的跟蹤曲線圖。
[0021] 圖10為本發(fā)明實施例中突發(fā)故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在原控制器作用下系統(tǒng)的 跟蹤誤差隨時間的變化曲線圖。
[0022] 圖11為本發(fā)明實施例中突發(fā)故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在滑模干擾觀測器作用下 的在線故障觀測曲線和容忍程度曲線圖。
[0023] 圖12為本發(fā)明實施例中突發(fā)故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在滑模干擾觀測器作用下 的在線故障標(biāo)識曲線圖。
[0024] 圖13為本發(fā)明實施例中早期小幅值故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在原控制器下作用 下系統(tǒng)輸出對期望指令的跟蹤曲線圖。
[0025] 圖14為本發(fā)明實施例中早期小幅值故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在原控制器作用下 系統(tǒng)的跟蹤誤差隨時間的變化曲線圖。
[0026] 圖15為本發(fā)明實施例中早期小幅值故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在滑模干擾觀測器 作用下的在線故障觀測曲線和容忍程度曲線圖。
[0027] 圖16為本發(fā)明實施例中早期小幅值故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在滑模干擾觀測器 作用下的在線故障標(biāo)識曲線圖。
[0028] 圖17為本發(fā)明實施例中微小故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在原控制器下作用下系統(tǒng) 輸出對期望指令的跟蹤曲線圖。
[0029] 圖18為本發(fā)明實施例中微小故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在原控制器作用下系統(tǒng)的 跟蹤誤差隨時間的變化曲線圖。
[0030] 圖19為本發(fā)明實施例中微小故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在滑模干擾觀測器作用下 的在線故障觀測曲線和容忍程度曲線圖。
[0031] 圖20為本發(fā)明實施例中微小故障工況下電機(jī)伺服系統(tǒng)在滑模干擾觀測器作用下 的在線故障標(biāo)識曲線圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0033] 結(jié)合圖1、圖3,一種基于滑模的電機(jī)伺服系統(tǒng)加性故障檢測和容錯控制方法，包 括以下步驟：
[0034] 步驟1、建立包含加性故障描述的電機(jī)