基于模型的机械臂执行器故障诊断

摘要

故障诊断系统的设计是控制理论和控制实践的一个重要研究方向。机器人系统因其非线性强耦合的特性使其在非线性故障诊断系统的研究中占有重要地位，而机器人的大范围应用也使得对其诊断系统的设计需求更加迫切。本文采用解析冗余的思想，以工业机器人为研究对象，设计了基于模型的机器人关节执行器故障诊断系统，快速准确地完成了执行器故障发生的检测、故障执行器的隔离定位及故障函数的识别。 在建立机器人模型的基础上，首先给出了机器人系统的非线性自适应状态观测器，并证明其稳定性及收敛性。然后以该观测器为基础设计了一个故障检测观测器，生成残差用来检测关节执行器故障的发生。如果检测出执行器有故障发生，则激活一组故障隔离观测器。再利用广义残差策略生成一组广义残差集，使每个残差只对一个关节故障不敏感而对其他关节故障都敏感，进而完成故障执行器的隔离及故障函数的识别。 针对机器人多关节发生故障的问题，从机器人动力学模型的微分方程形式出发，设计了一种基本形式的故障估计器。然后在放宽关节角加速度可测的限制假设条件下给出了一种改进形式的故障估计器，并分别讨论了执行器发生常值故障与时变故障情况下的多关节同时发生故障的隔离与识别任务。最后在相同的机器人模型上进行了验证分析。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2故障诊断技术背景

1．3机械臂故障诊断研究现状

1．4主要内容与论文结构

第2章基础知识

2．1故障诊断方法基础

2．1．1基于模型的故障诊断方法

2．1．2残差结构及其隔离性

2．1．3非线性系统故障诊断

2．2机器人建模基础

2．2．1空间位置矩阵

2．2．2 D-H坐标系建立

2．3本章小结

第3章机器人执行器故障建模

3．1机器人系统简介

3．1．1机器人模型简介

3．1．2控制器及电机电子部分模型

3．1．3电机机械部分及齿轮箱模型

3．1．4机器人坐标系

3．2动力学方程建模

3．3执行器故障建模

3．3．1故障模型分类

3．3．2故障模型

3．3．3执行器故障影响

3．4本章小结

第4章基于自适应观测器的机械臂故障诊断系统设计

4．1引言

4．2机器人系统模型

4．3非线性状态观测器设计

4．3．1状态观测器结构

4．3．2状态观测器稳定性分析

4．4执行器故障检测

4．4．1执行器故障建模

4．4．2故障检测残差

4．4．3故障检测条件

4．5故障隔离与识别

4．5．1故障隔离条件

4．5．2故障函数识别

4．6仿真分析

4．6．1状态观测器跟踪效果仿真

4．6．2执行器故障检测仿真分析

4．6．3执行器故障隔离与识别仿真分析

4．7本章小结

第5章基于故障观测器的机械臂故障隔离识别

5．1引言

5．2动力学微分模型

5．3基本故障观测器设计

5．4改进型故障观测器设计

5．4．1系统发生常值故障

5．4．2系统发生时变故障

5．4．3增益矩阵计算

5．5仿真分析

5．6本章小结

6．1总结

6．2展望

参考文献

致谢