基于滑模的电机伺服系统加性故障检测和容错控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机电伺服容错控制技术领域，特别是一种基于滑模的电机伺服系统加 性故障检测和容错控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代化工业的大踏步向自动化、精密化发展，随之而来的对传动系统的要求 也越来越高，这种趋势在各个行业里表现的越来越突出。电机伺服系统以其高精度、响应速 度快等优势在各大领域的传动系统中广泛运用，并占据着主导地位。同时，随着各大领域对 电机伺服系统的要求越来越高，电机伺服系统的精密和复杂程度也越来越高，对电机伺服 设备的维护要求也越来越高。因为现代电机伺服系统中各个部分联系非常紧密，一旦发生 故障，将产生链式反应，导致不可预测的灾难性事故，特别是对于一些安全至上的系统，如 化工系统、核电站、飞行器等，故对于这些安全至上的系统，常常采用相对安全的可靠性设 计方案，但这样只是一些被动性的防止故障的发生，仍然可能会发生灾难性事故。
[0003] 电机伺服系统具有高组合性和高复杂性，会对系统分析和故障检测造成很大障 碍，对于一般的电机伺服系统，常常采用的方法是在线性简化分析的基础上进行分析。而对 于复杂、有较高精度要求的系统而言，要想获得精确的结果，实验工作量和时间都会大幅度 增长。而对电机伺服系统进行故障实验分析，也面临着许多问题。主要表现在：系统内部动 力传递封闭，参数可测性差，故障信息难以提取；故障的特征、原因普遍存在模糊性，表现为 同一故障可能由不同的原因造成，同一故障可能会产生不同的故障特征，不同的故障也可 能引起相同的故障特征，多故障并发时故障特征更加复杂，给系统的状态检测及在线故障 诊断带来困难，这些问题一直困扰着电机伺服设备的维护和使用人员。
[0004] 近年来，随着信号处理技术、人工智能技术和控制理论等基础学科的迅速发展，电 机伺服系统故障检测在国内外得到了广泛重视并取得了重要进展。一般来说，故障检测可 以分为基于信号的故障检测和基于模型的故障检测。其中基于信号的故障检测依赖于信号 测量及数据处理技术，提取故障特征以评估系统是否异常；而基于模型的故障检测则利用 冗余的系统解析模型输出与系统真实输出产生残差，进而判别系统故障与否。基于信号的 故障检测较准确、虚警率较低，但数据处理量较大；而基于模型的故障检测则依赖于较准确 的系统模型，易于在线实现，但故障检测的鲁棒性与敏感性权衡困难。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于滑模的电机伺服系统加性故障检测和主动容错 的连续滑模控制方法。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于滑模的电机伺服系统加性故障检测 和容错控制方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1，建立包含加性故障描述的电机伺服系统数学模型；
[0008] 步骤2,设计滑模干扰观测器，观测加性故障水平并证明观测的准确性；
[0009] 步骤3,根据所观测的加性故障水平设计主动容错控制器；
[0010] 步骤4,根据李雅普诺夫非线性稳定性原理证明系统全局渐近稳定。
[0011] 本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1)本发明可设定合理的故障容忍程度 保证系统无故障时各种模型不确定性造成的影响始终在所设计的故障容忍度的范围内，确 保系统无虚警，提高故障检测的鲁棒性；(2)本发明可在线观测系统的加性故障水平，不影 响系统的控制性能的同时保证加性故障检测的实时性，做到对轻微故障的主动漏检、容错 控制和对严重故障的及时告警；（3)本发明设计的主动容错控制器并行处理系统固有的不 确定特性和已发生的加性故障特性，有效抵消故障造成的不利影响，恢复系统（部分）控制 性能，达到对服役状态下的电机伺服系统故障的应急掌控，确保系统安全的目的。（4)本发 明基于滑模控制方法设计的主动容错控制器为一连续滑模控制器，消除了滑模控制的抖振 问题。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明的基于滑模的电机伺服系统加性故障检测和容错控制方法流程图。
[0013] 图2为本发明电机伺服系统的原理图。
[0014] 图3为本发明的基于滑模的电机伺服系统加性故障检测和容错控制方法原理示 意图。
[0015] 图4为本发明实施例中无故障工况下电机伺服系统在原控制器下作用下系统输 出对期望指令的跟踪曲线图。
[0016] 图5为本发明实施例中无故障工况下电机伺服系统在原控制器作用下系统的跟 踪误差随时间的变化曲线图。
[0017] 图6为本发明实施例中无故障工况下电机伺服系统在滑模干扰观测器作用下的 在线故障观测曲线和容忍程度曲线图。
[0018] 图7为本发明实施例中无故障工况下电机伺服系统在滑模干扰观测器作用下的 在线故障标识曲线图。
[0019] 图8为本发明实施例中突发故障工况下电机伺服系统在主动容错控制器下作用 下系统控制输入随时间变化的曲线图。
[0020] 图9为本发明实施例中突发故障工况下电机伺服系统在原控制器下作用下系统 输出对期望指令的跟踪曲线图。
[0021] 图10为本发明实施例中突发故障工况下电机伺服系统在原控制器作用下系统的 跟踪误差随时间的变化曲线图。
[0022] 图11为本发明实施例中突发故障工况下电机伺服系统在滑模干扰观测器作用下 的在线故障观测曲线和容忍程度曲线图。
[0023] 图12为本发明实施例中突发故障工况下电机伺服系统在滑模干扰观测器作用下 的在线故障标识曲线图。
[0024] 图13为本发明实施例中早期小幅值故障工况下电机伺服系统在原控制器下作用 下系统输出对期望指令的跟踪曲线图。
[0025] 图14为本发明实施例中早期小幅值故障工况下电机伺服系统在原控制器作用下 系统的跟踪误差随时间的变化曲线图。
[0026] 图15为本发明实施例中早期小幅值故障工况下电机伺服系统在滑模干扰观测器 作用下的在线故障观测曲线和容忍程度曲线图。
[0027] 图16为本发明实施例中早期小幅值故障工况下电机伺服系统在滑模干扰观测器 作用下的在线故障标识曲线图。
[0028] 图17为本发明实施例中微小故障工况下电机伺服系统在原控制器下作用下系统 输出对期望指令的跟踪曲线图。
[0029] 图18为本发明实施例中微小故障工况下电机伺服系统在原控制器作用下系统的 跟踪误差随时间的变化曲线图。
[0030] 图19为本发明实施例中微小故障工况下电机伺服系统在滑模干扰观测器作用下 的在线故障观测曲线和容忍程度曲线图。
[0031] 图20为本发明实施例中微小故障工况下电机伺服系统在滑模干扰观测器作用下 的在线故障标识曲线图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0033] 结合图1、图3,一种基于滑模的电机伺服系统加性故障检测和容错控制方法，包 括以下步骤：
[0034] 步骤1、建立包含加性故障描述的电机