[發(fā)明專利]可重構機械臂傳感器故障實時診斷和容錯系統(tǒng)及其方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310342203.4
• 申請日: 2013-08-07
• 公開（公告）號: CN103399493A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發(fā)明（設計）人: 趙博;李元春;劉克平
• 申請（專利權）人: 長春工業(yè)大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 田春梅

1.可重構機械臂傳感器故障實時診斷和容錯系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括分散主控模塊、故障檢測模塊、信號重構模塊、主動切換裝置、執(zhí)行器及傳感器信號采集子系統(tǒng)，所述傳感器信號采集子系統(tǒng)包括位置傳感器和速度傳感器；所述分散主控模塊與執(zhí)行器連接，其用于利用模糊邏輯系統(tǒng)可任意精度擬合非線性函數(shù)的特性，采用模糊邏輯控制系統(tǒng)對子系統(tǒng)非線性項進行估計，并采用自適應調節(jié)器補償系統(tǒng)估計誤差；所述故障檢測模塊與傳感器信號采集子系統(tǒng)連接，其用于先通過引入一階濾波器將子系統(tǒng)傳感器故障轉化為偽執(zhí)行器故障，再采用分散滑模觀測器技術對子系統(tǒng)傳感器故障進行檢測，同時判斷故障發(fā)生時間；所述信號重構模塊與故障檢測模塊連接，其用于在所述故障檢測模塊判斷出子系統(tǒng)位置傳感器發(fā)生故障時，利用數(shù)字積分器對速度傳感器信號進行積分，重構出位置信號；在所述故障檢測模塊判斷出子系統(tǒng)速度傳感器發(fā)生故障時，利用微分跟蹤器重構出速度信號；所述主動切換裝置分別與信號重構模塊、故障檢測模塊、分散主控模塊連接，其用于按照制定的主動切換策略，將故障信號通道關閉，開啟相應的重構信號通道，將重構信號作為反饋送至分散主控模塊實現(xiàn)可重構機械臂傳感器故障的實時診斷與容錯控制；所述執(zhí)行器和傳感器信號采集子系統(tǒng)，用于為系統(tǒng)運行提供動力支持和反饋信號。

2.可重構機械臂傳感器故障實時診斷和容錯方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

第一步，分散主控模塊設計：當系統(tǒng)無傳感器故障時，針對式(5)所示子系統(tǒng)動力學狀態(tài)空間表達式，設計如式(10)-(12)所示的分散主控模塊，使得關節(jié)模塊能夠精確跟蹤期望軌跡；此分散主控模塊包括CTC控制器、模糊控制系統(tǒng)和自適應調節(jié)器；

Si:x·i=Aixi+Bi[fi(qi,q·i)+gi(qi)ui+hi(q,q·,q··)]yi=Cixi---(5)]]>

u_i＝u_i0+u_ic???(10)

ui0=Mi(qi)(q··id-kive·i-kipei)+Ci(qi,q·i)q·i+Gi(qi)---(11)]]>

uic=-Mi(sgn(xiTPiBi)p^i(|xiTPiBi|,W^ip)+sgn(xiTPiBi)η^i)---(12)]]>式中，x_i是子系統(tǒng)S_i的狀態(tài)向量，y_i是子系統(tǒng)S_i的輸出，且Ai=0100]]>Bi=01]]>Ci=1001,]]>fi(qi,q·i)=Mi-1(qi)[-Ci(qi,q·i)q·i-Gi(qi)],]]>gi(qi)=Mi-1(qi),]]>hi(q,q·,q··)=-Mi-1(qi)Zi(q,q·,q··),]]>q∈Rⁿ為關節(jié)位置向量，M(q)∈R^n×n為慣性矩陣，為哥氏力和離心力項，G(q)∈Rⁿ為重力項；u_i0是計算力矩控制律，u_ic是魯棒自適應模糊控制律，用來補償系統(tǒng)不確定性.k_iv,k_ip是微分和比例常數(shù)，xi=eie·iT]]>定義為跟蹤誤差向量，Bi=01T.η^i]]>是可調參數(shù)；

第二步，故障檢測模塊設計：通過引入如式(20)的一階濾波器將故障子系統(tǒng)方程擴展為式(22)，設計分散滑模觀測器如式(23)，由此可判斷出何種傳感器何時發(fā)生故障：

z·ai=Aaizai+Baiyi---(20)]]>

S‾if:z·i=Aizi+Bi[fi(qi,q·i)+gi(qi)ui+hi(q,q,·q··)]z·ai=Aaizai+Bai(Cixi+Difsi)ya=zai---(22)]]>

S^if:z^·i=Aiz^i+Bi[f^i(qi,q·i)+g^i(qi)ui+p^i(|xiTPiBi|,W^ip)]z^·ai=Aaizai+Bai(Cixi+vi)y^a=z^ai---(23)]]>

其中，zai=zai1zai2,]]>Aai=-100-1,]]>Bai=1001,]]>是的估計，W~ipT=WipT-W^ipT]]>是權值估計誤差，是可調參數(shù)向量，和由模糊邏輯系統(tǒng)估計得到；

第三步，信號重構模塊設計：根據(jù)第二步判斷出的故障傳感器類型及故障發(fā)生時間，利用冗余傳感器信息對故障傳感器信號進行重構，即當位置傳感器發(fā)生故障時，采用基于四階變步長Runge-Kutta算法的積分器進行位置信號重構；當速度傳感器發(fā)生故障時，采用如式(34)所示的數(shù)值微分器對速度信號進行重構；

ω·i1(t)=ωi2(t)-λi1|ωi1(t)-xi1(t)|×sgn(ωi1(t)-xi1(t))ω·i2(t)=-λi2sgn(ωi1(t)-xi1(t))x^i2(t)=x·^i1(t)=ωi2(t)---(34)]]>其中，為由位置傳感器信號重構得到的速度信號，ω_i1,ω_i2為輔助變量，λ_i1,λ_i2為設計參數(shù)；

第四步，主動切換裝置設計：基于第二步和第三步中所判斷出的故障類型及重構信號，當判斷出未發(fā)生傳感器故障時，主動切換裝置不進行信號切換，采用第一步中所設計的分散主控模塊進行控制；當判斷出位置傳感器故障時，主動切換裝置用位置重構信號取代位置傳感器信號進行反饋控制；當判斷出速度傳感器故障時，主動切換裝置用速度重構信號取代速度傳感器信號進行反饋控制，從而實現(xiàn)反饋信號的主動切換，使發(fā)生傳感器故障的可重構機械臂關節(jié)模塊仍能精確跟蹤期望軌跡，實現(xiàn)故障系統(tǒng)的容錯控制，進而完成可重構機械臂傳感器故障的實時診斷及容錯方法。