基于滑模的机电液伺服系统加性故障检测与容错控制策略研究

摘要

本文以国家自然科学基金项目为背景，开展了基于解析冗余的机电液伺服系统在线故障检测和主动容错控制研究，在以下几方面展开了研究工作:
　　(1)建立包含加性故障描述的系统数学模型。机电、电液伺服系统故障多种多样，各种故障对系统控制性能的影响也各不一致，为研究方便，将这些常见故障以统一的形式来表征，建立统一的包含故障描述的机电液伺服系统模型。
　　(2)基于状态估计/重构的故障检测。以机电、电液伺服系统为对象，针对系统存在未建模动态、参数摄动、故障等问题，结合鲁棒滤波技术和自适应技术设计自适应鲁棒观测器。在削弱不确定非线性影响的基础上重构系统状态的同时自适应系统参数。利用状态重构误差来判别系统是否发生故障，从理论上给出了参数自适应的上界，避免了人为设定上界的盲目性。同时，根据自适应参数的自适应误差来检测系统发生何种故障。
　　(3)基于干扰估计的加性故障检测。针对系统的加性故障，设计滑模干扰观测器观测加性故障水平并进行误差分析，从理论上保证了观测的准确性。同时，为后续的容错控制策略提供故障信息。
　　(4)针对已发生加性故障的主动容错控制。根据加性故障检测结果，并结合加性故障观测信息，设计一系列基于滑模的主动容错控制策略。通过设计滑模观测器估计机电、电液位置伺服系统的加性故障水平和模型不确定性，在主动容错控制器设计中将其补偿，以削弱或消除滑模控制的抖振。同时，将观测器滑模面引入到控制器滑模面中构造新的控制器滑模面，以保证控制器良好的动态性能。接着，为提升系统控制误差的收敛性，提出跟踪误差有限时间收敛的连续滑模主动容错控制策略。
　　(5)在系统模型存在噪声、模型不确定性等多种工况下进行MATLAB/Simulink仿真、Simulink和AMESim联合仿真，实际实验等多种验证策略。建立更加接近实际系统的模型，从多方面、多工况共同验证检测策略的有效性和容错策略的可靠性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 机电液伺服系统故障检测和容错控制的研究现状

1．3 论文的研究内容和论文结构

1．4 本章小结

2 基于状态重构的故障检测策略

2．1 机电伺服系统建模和问题描述

2．1．1 机电伺服系统故障分析

2．1．2 机电位置伺服系统建模分析

2．1．3 基于自适应鲁棒观测器的机电伺服系统故障检测策略

2．2 机电伺服系统状态重构策略

2．2．1 机电伺服系统的自适应鲁棒观测器的设计

2．2．2 参数估计上界的确定

2．2．3 状态重构上界的确定

2．3 仿真实例

2．3．1 系统参数

2．3．2 检测策略验证

2．4 电液伺服系统建模和问题描述

2．4．1 电液伺服系统故障分析

2．4．2 电液位置伺服系统建模分析

2．4．3 基于自适应鲁棒观测器的电液伺服系统故障检测策略

2．5 电液伺服系统状态重构策略

2．5．1 电液伺服系统的自适应鲁棒观测器的设计

2．5．2 参数估计上界的确定

2．5．3 状态估计上界的确定

2．6 仿真实例

2．6．1 系统参数

2．6．2 检测策略验证

2．7 本章小结

3 基于滑模干扰估计的加性故障检测策略

3．1 机电伺服系统加性故障检测策略

3．1．1 机电伺服系统模型

3．1．2 系统模型分析

3．1．3 滑模观测器设计

3．1．4 滑模观测器观测误差分析

3．2 仿真实例

3．2．1 系统参数

3．2．2 检测策略验证

3．3 电液伺服系统加性故障检测策略

3．3．1 电液伺服系统模型

3．3．2 不匹配加性故障滑模观测器设计及误差分析

3．3．3 匹配加性故障滑模观测器设计及误差分析

3．4 仿真实例

3．4．1 系统参数

3．4．2 检测策略验证

3．5 本章小结

4 基于滑模的机电液伺服系统容错控制策略

4．1 机电伺服系统原控制策略的设计

4．2 基于滑模的机电伺服系统主动容错控制策略

4．2．1 基于不连续滑模的抖振削弱的主动容错控制策略及稳定性分析

4．2．2 基于连续滑模的无抖振主动容错控制策略及稳定性分析

4．2．3 基于连续滑模的有限时间稳定的主动容错控制策略及稳定性分析

4．3 仿真实例

4．3．1 系统参数

4．3．2 主动容错策略验证

4．4 电液伺服系统控制策略设计分析

4．5 电液伺服系统原控制策略的设计

4．6 基于滑模的电液伺服系统主动容错控制策略

4．6．1 基于不连续滑模的抖振削弱的主动容错控制策略及稳定性分析

4．6．2 基于连续滑模的无抖振主动容错控制策略及稳定性分析

4．6．3 基于连续滑模的有限时间稳定的主动容错控制策略及稳定性分析

4．7 仿真实例

4．7．1 系统参数

4．7．2 主动容错策略验证

4．8 本章小结

5 实验研究

5．1 基于自适应鲁棒观测器的状态重构策略实验验证

5．2 基于滑模观测器的电液伺服系统加性故障检测策略和容错控制实验验证

5．2．1 不匹配加性故障检测策略和容错控制验证

5．2．2 匹配加性故障检测策略验证

6 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 论文的主要创新点

6．3 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况

攻读硕士学位期间申请专利情况

攻读硕士学位期间参加的科学研究情况