多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法及系统

本发明属于多电机伺服系统的容错控制，特别涉及一种多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法及系统。

背景技术：

1、在许多大惯量应用中，多电机同步驱动伺服系统已逐渐取代单电机系统。在这些情况下，多电机叠加更有利于在电机与负载之间配置适当的惯性比，实现高性能的伺服控制。此外，与单台大功率大惯量电机相比，多电机伺服系统完成相同任务的成本要低得多。同时，多轴机械结构的复杂性和不同电机之间的同步问题也带来了新的挑战。

2、为了解决多电机伺服系统的控制设计问题，研究人员针对不同工况提出了不同的控制策略，例如设计一种最优协调控制策略，以实现电机间的同步控制任务，同时保证双电机系统的速度跟踪性能；建立具有时变负载的多电机驱动系统的机电耦合动力学模型，利用电流信号观察转矩，实现高同步性能；针对双电机同步驱动伺服系统的转矩扰动和不确定性，建立一种高增益鲁棒控制技术，以提高系统的位置跟踪性能和同步精度。由上述内容不难看出，现有的研究主要集中在提高跟踪精度和同步性能上。然而，除正常运行条件外，当部分电机损坏或部分失效时，多电机系统的容错控制问题值得详细分析，具有实际意义。

3、在电机驱动的运动控制系统中，电机故障是非常常见的。由于冗余的机械设计，多电机系统能够在电机故障的情况下保持一定水平的控制性能。近年来，人们对伺服系统、速度控制系统以及各种机器人关节运动控制系统的容错控制进行了大量的研究。

4、例如研究人员在数据驱动的输出反馈容错控制方法中，设计了一种基于数据的在线辨识方法，并提出了故障检测策略；研究了基于永磁同步电机的运动控制系统的故障诊断和容错控制方法；研究了传感器短期故障情况下的自适应容错视觉引导机器人系统，设计了故障检测逻辑、恢复系统和最优路径规划器；提出了一种五足双动直线电机的容错预测控制方案；设计了柔性单连杆机械臂在执行机构部分失效情况下的自适应补偿控制方法等。

5、然而，以上研究关注的是单个电机执行器部分失效的情况，并设计控制策略来完成部分失效电机的控制任务。然而与部分失效的电机工作不是一个长期的解决方案，故障电机的状态可能随时恶化，并表现出很强的不可预测性。此时多电机系统的优势得到显现，因为即使部分故障电机的使能信号被切断，仍然可以通过剩余的无故障电机来完成控制任务。

6、因此，在常用的具有对称机械结构的多电机伺服系统中，设计电机故障情况下的高性能容错控制方法具有重要的研究意义。为了实现高容错控制性能，需要考虑故障电机引起的不平衡转矩、拖动故障电机产生的额外转矩以及将故障电机作为负载的一部分而引起的未知惯性变化等因素。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法，在检测到多电机伺服系统中存在单个故障电机后，将故障电机关闭并视为完全失效，以保证剩余的无故障电机仍能达到较高的控制精度和同步性能。

2、本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

3、多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法，包括如下步骤：

4、步骤1.建立多电机伺服系统动力学模型，并给出单个电机故障时系统的动力学模型；

5、步骤2.利用具有单个自适应变量的神经网络来估计非线性，并设计一种新的无符号函数的有限时间命令滤波器和误差补偿子系统，使用反步法设计多电机伺服系统在单个电机故障下的容错控制器；

6、步骤3.利用控制器实现对多电机伺服系统中单个电机发生意外故障时的容错控制。

7、此外，在多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法的基础上，本发明还提出了一种与之相适应的多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制系统，其采用如下技术方案：

8、一种多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制系统，包括：

9、模型构建模块，用于建立多电机伺服系统动力学模型，并给出单个电机故障时系统的动力学模型；

10、控制器设计模块，利用具有单个自适应变量的神经网络来估计非线性，并设计一种新的无符号函数的有限时间命令滤波器和误差补偿子系统，使用反步法设计多电机伺服系统在单个电机故障下的容错控制器。

11、以及容错控制模块，基于控制器实现对多电机伺服系统中单个电机发生意外故障时的容错控制。

12、此外，在上述多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法的基础上，本发明还提出了一种计算机设备，该计算机设备包括存储器和一个或多个处理器。

13、所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，用于实现上面述及的多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法的步骤。

14、此外，在上述多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法的基础上，本发明还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序。该程序被处理器执行时，用于实现上面述及的多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法的步骤。

15、本发明具有如下优点：

16、如上所述，本发明述及了一种多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法，该方法不需要估计或补偿故障执行器的有效性因子，利用多电机系统的冗余优势，检测出故障后直接切断故障电机，并给出了含电机故障的非对称多电机伺服系统的数学建模过程和详细分析。此外，本发明方法提出了命令过滤容错控制方案，设计了一种改进的有限时间命令滤波和误差补偿子系统。避免了符号函数带来的高频分量，减少了振荡的激励，有利于设计脆弱不平衡故障系统的控制器。另外，本发明方法还考虑了故障电机引起的不平衡转矩、额外摩擦转矩和额外未知惯性，并利用神经网络进行处理。由于避免了虚拟控制信号的推导，减少了硬件控制设备的计算量，并且只需要估计一个自适应参数，为实际实现带来了方便。本发明方法能够确保当系统中检测到一个故障电机后，将该故障电机关闭并视为完全失效，多电机伺服系统中剩余的无故障电机仍能达到较高的控制精度和同步性能。

技术特征：

1.多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

3.根据权利要求2所述的多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

4.根据权利要求1所述的多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法，其特征在于，所述步骤2中，在完成容错控制器设计后，对由容错控制器控制的多电机伺服系统进行稳定性分析。

5.根据权利要求4所述的多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法，其特征在于，对于有一个故障电机的四电机伺服系统，其动力学模型如公式(2)所示，考虑分段二次可微的期望跟踪信号yd，如果将控制信号设计为如公式(27)所示，并采用公式(3)示出的命令滤波器、公式(18)给出的自适应律以及公式(6)给出的滤波误差补偿系统，则伺服系统的位置跟踪误差将在有限时间内收敛到原点的一个小邻域内，系统其他状态均为有限时间有界。

6.根据权利要求4所述的多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法，其特征在于，所述步骤2中，进行稳定性分析的具体过程如下：

7.根据权利要求1所述的多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：当系统中出现单个电机故障时，通过高精度的霍尔电流传感器检测出其异常工作状态，检测出故障后关闭故障电机，依靠剩余的无故障电机带动故障电机继续工作，用神经网络来处理由于拖动故障电机产生的负载侧的未知惯性变化与机械摩擦和不平衡偏置扭矩，实现对单个电机故障时系统的容错控制。

8.一种多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制系统，其特征在于，包括：

9.一种计算机设备，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，其特征在于，所述处理器执行所述可执行代码时，实现如权利要求1至7任一项所述的多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，程序被处理器执行时，实现如权利要求1至7任一项所述的多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法的步骤。

技术总结
本发明属于多电机伺服系统的容错控制技术领域，具体公开了一种多电机伺服系统指令滤波的电机意外故障容错控制方法及系统。本发明方法不需要估计或补偿故障执行器的有效性因子，利用多电机系统的冗余优势，检测出故障后直接切断故障电机，并提出一种改进的命令滤波反步控制方案，设计了一种改进的有限时间命令滤波器和误差补偿子系统，避免了符号函数带来的高频分量，降低了系统对振荡的激励，同时设计了具有单个自适应变量的神经网络对非线性进行估计，避免了虚拟控制信号的推导，减少了硬件控制设备的计算量。本发明能确保当系统中一个电机故障后，其余电机也能保持良好的跟踪和同步性能。

技术研发人员：王保防,辛洪敏,蔡明洁,于金鹏,刘加朋
受保护的技术使用者：青岛大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4