基于自适应滑模观测器的电连接器间歇性失效检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种基于自适应滑模观测器的电连接器间歇性失效检测方法，涉及 到乘性间歇性故障的检测技术，属于故障检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 连接器一般用于实现电信号的传输和控制以及电子与电气设备之间的电连接，连 接器一旦失效，不仅会造成其提供的传输功能故障，可能还会对其他与其相连的部件造成 影响。连接器的常见失效模式有短路、接触不良、瞬断、绝缘不良、断路、误配线、固定不良、 密封不良等。接触不良、瞬断失效可以统称为间歇性失效（Intermittent Failure，IF)，是 失效模式及影响分析、可靠性以及故障检测和诊断领域研宄的难点，如何检测失效、确定失 效位置以及对系统的影响仍是一个开放性的问题。
[0003] 具体到连接器的间歇性失效，主要原因为使用过程中由于环境因素的影响造成的 接触对间歇地接触失效。电连接器在贮存和使用中都要受到各种环境应力的影响，当电连 接器处于振动、冲击或温度变化等环境时，接触对之间将有微动产生。微动发生时，接触表 面微动磨损和微动腐蚀大多同时存在。接触对的间歇性失效主要由电连接器的微动磨损引 起，电连接器的微动磨损会导致接触电阻逐渐增加，导致发热增加，进而促使金属接触面氧 化加速，随后将伴随接触电阻从几毫欧间歇性地增大减小至几欧姆或几十欧姆，最终引发 电气系统回路中发生间歇性的不可复现性的失效。
[0004] 对于电连接器的间歇性失效可以转换为间歇性故障的检测问题。已有的间歇性故 障检测方法大都是传统故障检测方法的改进。故障检测主要分为定性和定量两大方法，其 中定量方法主要包括基于模型的方法和基于数据的方法两大类。基于观测器的故障检测方 法则是基于解析模型的故障检测方法中使用最广泛的。传统的基于观测器的故障检测方 法的基本思想是利用系统的定量模型和测量信号重建某一可测变量，将估计值与测量值之 差作为残差，以检测和分离系统故障。检测中人为设定阈值的大小会对被检测系统的灵敏 度和鲁棒性产生很大的影响，对于慢变或初始故障的检测能力很低。残差信号本身并不能 直接反映故障的真实状态，因此基于残差的故障检测与分离技术是一种间接的故障诊断技 术。与之相对应，通过故障重构来进行检测不是通过残差信号得到失效信息，而是利用观测 器直接重构失效信号，避免了产生和评价残差信号的复杂性，且通过重构不仅能够实现故 障检测和分离，还可以估计其严重程度、辨别其类型。
[0005] Wesley G等基于特征分析的方法对控制器与永磁交流电机之间的连接器间歇性 失效提出了一种检测算法，通过测量交流电机磁场定向电流，然后对其进行快速傅里叶变 换或非抽取离散小波变换，便可以得到相应的变换系数，最后根据系统正常运行下的变换 系数设置能量阈值即可实现间歇故障的检测。但该方法具有以下不足：首先，上述故障检 测方法需要分别获得系统正常情况和发生故障时的数据。在实际电路系统中，由于技术条 件限制有些量难以测量。其次，本算法主要是离线情况进行设计的，不能在线实时检测和诊 断间歇故障。再者，电流只是间接地体现了电路中电阻的变化，不能直观地反应故障的类 型。Bennett S M等研宄了存在间歇性传感器故障时牵引电机输出转矩的估计问题，提出了 一种奉献观测器的方法来检测间歇故障，但是，此方法没有考虑间歇故障的持续时间和间 隔时间对可检测性的影响，当故障间隔时间较短时不再适用。赵瑾等就乘性故障的检测问 题以滑模观测器为基础，利用状态和输出变换方法与奇异值分解方法相结合对系统进行降 阶，提出一种鲁棒故障重构观测器；同时给出优化滑模策略，并进行了严格论证，保证对系 统不确定性具有鲁棒性以及跟踪系统状态的收敛性；应用等价输出控制概念以及设计的鲁 棒故障重构观测器.获取故障信息，实现执行器故障的检测与重构。但文中假设故障上界 是已知的，并未考虑乘性故障因与状态及系统输入有关上界未知这一情况。其次，该方法限 制条件太多，是就方法寻找适用的对象。再者，文中实际仿真对象并未体现出乘性故障的特 点。
[0006] 基于模型的故障检测方法能够在线实时地进行电连接器失效的检测，对于整个系 统安全可靠地运行很有意义。能够及时对失效部件进行更换避免事故的发生。通过电连 接器间歇性失效的检测可以对电连接器的使用寿命做出评估，为预防事故的发生提供了条 件。通过故障重构可以辨别其类型，从而为系统采取相应的措施有效地消除故障对系统的 影响提供更充实的依据。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供基于自适应滑模观测 器的电连接器间歇性失效检测方法，通过设计滑模观测器进行故障重构可以有效地判断出 电连接器是否发生间歇性失效。对滑模控制器增益设计自适应律可以放松一般故障重构中 所需的故障有界且上界已知这一条件。本方法即使在存在外界扰动的条件下也可以有效地 检测电连接器的间歇性失效，且具有良好的移植性，可用于相似系统的故障检测。
[0008] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0009] 一种基于自适应滑模观测器的电连接器间歇性失效检测方法，实现步骤包括：
[0010] 步骤一、对电连接器所在系统建立数学模型；
[0011] 步骤二、根据步骤一中的数学模型，将电连接器的间歇性失效检测等效于数学模 型中的乘性故障检测；
[0012] 步骤三、针对数学模型中乘性故障上界故障未知的特点，对滑模控制器增益设计 自适应律；
[0013] 步骤四、使用滑模中的等效误差注入技术进行误差重构，结合线性变换Lyapunov 函数求解滑模控制器增益中常数项的取值；
[0014] 步骤五、利用故障重构思想重构故障，根据重构出的接触电阻的曲线设定阈值进 行失效判断，实现间歇性故障检测。
[0015] 作为本发明的进一步优选方案，步骤一中，所述数学模型的具体表达如下：
[0016]
[0017] 式中，t是系统运行时间；x(t) e Rn是系统状态向量；.ilOe/r是系统状态向量的 一阶导数；U (t) e Γ是控制输入向量；y(t) e Rp是测量输出向量；ξ (t)为扰动；M e Rnxtl; A e RnXn;B e RnXni;C e RpXn;A (t，x) e !^^、!^、!^、!^分别表示以隹^维邛维…维实 向量空间；RnXn、RnXm、RpXn、Rnxq分别表示nXn维、nXm维、pXn维、nXq维实矩阵；
[0018] A、B、C、E的表达式分别为：
[0021] 式中，R为电阻值；ΔΑ代表系统参数变化的乘性故障；AR为电连接器的接触电阻 的变化J为电动机轴上的等效转动惯量；L为电枢回路电感；b为轴上的等效阻尼系数；km为电动机的力矩系数；ke是电动机的电势系数；
[0022] 4，1 = 1，2，一，9是待重构的乘性故障，炉/(^^)=4奶(^^)，奶(14_，_，奶,?1为 已知的与矩阵A和状态X有关的函数。
[0023] 作为本发明的进一步优选方案，所述步骤三的具体过程为：
[0024] 设计自适应滑模观测器：
[0025]
[0026] 其中，?，51分别为x，y的估计向量，H e Rnxp为待定的增益矩阵，υ (t)是确保在 滑动平面存在独立于ξ (t)的稳定滑模运动的优化滑模策略，其表达式如下所示：
[0027]
[0028] 针对故障上界未知的情况，对参数P Jt)设计如下所示的自适应律：
[0029] A=r|G|||~|.
[0030] 其中，P。，Γ为大于〇的常数。
[0031] 作为本发明的进一步优选方案，所述步骤四的具体过程为：
[0032] 设定系统估计误差方程如下所示：
[0033]
[0034] 令 ε = β - p 丨，构造 Lyapunov 函数：
[0035] V(t) = eTPe+r_1 ε 2；
[0036] 求取滑模控制器的增益：
[0037] 取
使得滑模运动达到理想的滑动模态的P ^直，其中，是Ct的正交 补；
[0038] Γ1= [Σ Τ(ΣΡΤΣΤ)_1 P^1Ct(CP^1Ct)^1]；
[0039] 其中，S = . ?
[0040] 对状态误差方程做线性变换，即 则得到