一種基于觀測器的伺服系統的故障檢測方法技術方案

本發明專利技術公開的一種基于觀測器的伺服系統的故障檢測方法，涉及一種伺服系統的故障檢測方法，屬于機電故障檢測技術領域。本發明專利技術的方法包括如下步驟：步驟1，將雙電機伺服系統建模為帶有未知輸入、執行器故障和傳感器故障的線性模型；步驟2，基于卡爾曼濾波觀測器的殘差發生器產生殘差信號，用于步驟3中故障檢測邏輯判斷；步驟3，通過基于范數的殘差評價函數和固定閾值進行故障檢測邏輯判斷來檢測故障信號，完成雙電機伺服系統故障檢測。本發明專利技術基于卡爾曼濾波觀測器的殘差發生器，能降低外界干擾對雙電機伺服系統的影響。另外一方面，本發明專利技術通過基于范數的殘差評價函數和固定閾值邏輯判斷，能有效地檢測出系統的故障信號。

An observer based fault detection method for servo system

The invention discloses a fault detection method based on an observer based servo system, which relates to a fault detection method of a servo system, which belongs to the technical field of electromechanical fault detection. The method of the invention comprises the following steps: 1, the modeling of dual motor servo system for a linear model with unknown input, actuator faults and sensor faults; step 2, generate a residual signal residual generator Calman filter observer based fault detection for step 3 logic judgment; step 3, the fault detection logic the norm of the residual evaluation function and fixed threshold detection based on fault signal, complete fault detection dual motor servo system. The invention is based on the residual generator of the Calman filter observer, and can reduce the influence of external disturbance on the double motor servo system. On the other hand, the invention can effectively detect the fault signal of the system by the norm based residual evaluation function and the fixed threshold logic judgment.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于機電故障檢測
，具體而言，涉及一種基于觀測器的伺服系統的故障檢測方法。
技術介紹
伺服系統作為一種用來精確地跟蹤或復現某個過程的反饋控制系統，廣泛地應用在國防和工業生產的各個領域，如雷達天線的自動跟蹤控制、坦克軍艦的炮塔系統、機器人的位姿控制、醫療器械、數控機床的生產以及光學儀器的精密制造等。隨著現代科學技術的不斷進步和發展，一方面伺服系統的復雜程度變得越來越高，另一方面人們對伺服系統的各種性能要求也越來越高。一些大型的伺服系統，如高炮武器系統、雷達伺服系統、輪船自動操舵裝置等，由于其工作環境的復雜性和特殊性，系統一旦發生故障，將會造成巨大的經濟和財產損失。因此，為了增強伺服系統的安全性和可靠性，提高系統運行的穩定性，及時有效地檢測出系統發生的故障，減少由于故障帶來的財產損失和資源浪費，伺服系統的故障診斷就變得尤其重要。故障診斷技術作為一種提高系統可靠性的重要方法，一直是科學領域的一個重要的研究分支，是系統安全運行的有效保障。故障診斷是指利用一定的技術，對發生故障的系統進行故障的檢測，然后對不同的故障進行分類，最后進行故障的辨識，判斷故障的類型和發生的位置。所以，故障診斷可以分為：故障的檢測，故障的分離，故障的分析和辨識。故障檢測作為故障診斷的第一步，對整個故障診斷過程起著至關重要的作用。因此，發展有效的故障檢測方法來檢測出系統發生的故障從而避免系統遭受重大損失就顯得十分必要的。
技術實現思路
本專利技術公開的一種基于觀測器的伺服系統的故障檢測方法，要解決的技術問題是有效地檢測出伺服系統發生的故障，進而減少故障對伺服系統帶來的影響。本專利技術的目的是通過下述技術方案實現的：本專利技術公開的一種基于觀測器的伺服系統的故障檢測方法，包括如下步驟：步驟1，將雙電機伺服系統建模為帶有未知輸入、執行器故障和傳感器故障的線性模型；步驟2，基于卡爾曼濾波觀測器的殘差發生器產生殘差信號，用于步驟3中故障檢測邏輯判斷；步驟3，通過基于范數的殘差評價函數和固定閾值進行故障檢測邏輯判斷來檢測故障信號，完成雙電機伺服系統故障檢測。進一步地，所述的步驟1包括如下步驟：步驟11，建立雙電機伺服系統的動力學模型，如公式(1)所示，其中，i＝1，2，Ui是第i個電機的電壓，Ri是第i個定子電阻，Ii是第i個定子電流，Li是第i個定子電感，θmi是第i個電機轉角，是第i個電機轉速，Jmi是第i個電機轉動慣量，θd是負載轉角，是負載轉速，Jd表示負載轉動慣量，Cei是第i個電機的反電動勢系數，Kdi是第i個電機的電磁力矩系數，bm是等效粘性阻尼系數，im是傳動比，k是剛度系數。步驟12，令x1＝I1，x2＝I2，x3＝θm1，x5＝θm2，x7＝θd，將雙電機伺服系統(1)轉化為如公式(2)所示的狀態空間表達式：其中，x(t)是狀態向量，u(t)是輸入向量，y(t)是輸出向量，C＝[00000001]。步驟13，假設w(k)，v(k)為未知輸入向量，fa(k)為執行器故障，fs(k)為傳感器故障，經過離散化后，得到故障系統模型，如公式(3)所示：其中，T為采樣周期，Ew是已知的適維矩陣，Ef和Ff是故障矩陣分別表示執行器故障和傳感器故障對系統的影響。通過建立雙電機伺服故障系統模型，同時反應外界干擾w(k)，v(k)、執行器故障fa(k)和傳感器故障fs(k)，更全面反應可能遇到的雙電機伺服系統故障問題。所述的外界干擾指未知輸入向量w(k)、v(k)。進一步地，所述的步驟2包括如下步驟：步驟21，建立狀態預測方程(4)來預測系統的狀態：其中，x(k|k-1)是根據k-1時刻估計出來的k時刻的系統狀態，x(k-1|k-1)是k-1時刻優化處理的狀態。步驟22，建立預測協方差方程(5)：其中，P(k|k-1)為一步預報估計誤差協方差陣，Q為未知輸入w(k)的協方差陣。步驟23，建立計算卡爾曼增益的方程(6)：L(k)＝P(k|k-1)CT(R+CP(k|k-1)CT)-1(6)其中，L(k)為卡爾曼增益，R為未知輸入v(k)的協方差陣。步驟24，利用公式(6)得到的卡爾曼增益，建立狀態估計方程(7)：x(k|k)＝x(k|k-1)+L(k)(y(k)-Cx(k|k-1))(7)其中，x(k|k)為k時刻的狀態估計。相應的殘差信號r(k)如公式(8)所示：r(k)＝y(k)-Cx(k|k-1)(8)步驟25，建立k時刻的狀態估計誤差協方差陣(9)：P(k|k)＝(I-L(k)C)P(k|k-1)(9)其中，P(k|k)為k時刻的狀態估計誤差協方差陣。步驟26，通過聯立方程(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)，求解出殘差信號r(k)。通過協方差方程(5)和(9)中計算每一步預報估計誤差協方差陣P(k|k-1)和k時刻的狀態估計誤差協方差陣P(k|k)，減少外界干擾w(k)，v(k)對伺服系統帶來的影響。進一步地，所述的步驟3包括如下步驟：步驟31，通過公式(10)求取基于范數的殘差評價函數||r(k)||ρ：其中，ρ是評價窗口的長度。步驟32，通過公式(11)求取閾值Jth：其中，sup表示上確界。步驟33，根據公式(12)所示的故障檢測邏輯來判斷系統是否發生故障。當雙電機伺服系統發生故障時檢測故障信號，完成雙電機伺服系統故障檢測。有益效果：1、本專利技術公開的一種基于觀測器的伺服系統的故障檢測方法，基于卡爾曼濾波觀測器的殘差發生器，能降低外界干擾對雙電機伺服系統的影響。2、本專利技術公開的一種基于觀測器的伺服系統的故障檢測方法，通過基于范數的殘差評價函數和固定閾值邏輯判斷，能有效地檢測出系統的故障信號。附圖說明構成本申請的一部分的附圖用來提供對本專利技術的進一步理解，本專利技術的示意性實施例及其說明用于解釋本專利技術，并不構成對本專利技術的不當限定。在附圖中：圖1為雙電機伺服系統的結構簡圖；圖2為雙電機伺服系統的故障檢測流程圖；圖3為雙電機伺服系統的故障檢測結構圖；圖4為殘差發生器產生的殘差信號；圖5為殘差評價函數和相應的閾值。具體實施方式下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本專利技術。如圖1、2、3所示，本實施例公開的一種基于觀測器的伺服系統的故障檢測方法，包括如下步驟：步驟1，將雙電機伺服系統建模為帶有未知輸入、執行器故障和傳感器故障的線性模型。根據機理建模的方法，結合電機的結構和物理定理，建立雙電機伺服系統的動力學模型，如公式(1)所示：其中，i＝1，2，Ui是第i個電機的電壓，Ri是第i個定子電阻，Ii是第i個定子電流，Li是第i個定子電感，θmi是第i個電機轉角，是第i個電機轉速，Jmi是第i個電機轉動慣量，θd是負載轉角，是負載轉速，Jd表示負載轉動慣量，Cei是第i個電機的反電動勢系數，Kdi是第i個電機的電磁力矩系數，bm是等效粘性阻尼系數，im是傳動比，k是剛度系數。令x1＝I1，x2＝I2，x3＝θm1，x2＝θm2，x7＝θd，則雙電機伺服系統(1)可以轉化為如公式(2)所示的狀態空間表達式：其中，x(t)是狀態向量，u(t)是輸入向量，y(t)是輸出向量，C＝[00000001]。考慮到實際系統會受到外界干擾和噪聲的影響，而且這些影響通常被建模為系統的未知輸入。另外，由于執行器故障和傳感器故障會分別引起執行器和傳感器的異變本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于觀測器的伺服系統的故障檢測方法，其特征在于：包括如下步驟，步驟1，將雙電機伺服系統建模為帶有未知輸入、執行器故障和傳感器故障的線性模型；步驟2，基于卡爾曼濾波觀測器的殘差發生器產生殘差信號，用于步驟3中故障檢測邏輯判斷；步驟3，通過基于范數的殘差評價函數和固定閾值進行故障檢測邏輯判斷來檢測故障信號，完成雙電機伺服系統故障檢測。

【技術特征摘要】
1.一種基于觀測器的伺服系統的故障檢測方法，其特征在于：包括如下步驟，步驟1，將雙電機伺服系統建模為帶有未知輸入、執行器故障和傳感器故障的線性模型；步驟2，基于卡爾曼濾波觀測器的殘差發生器產生殘差信號，用于步驟3中故障檢測邏輯判斷；步驟3，通過基于范數的殘差評價函數和固定閾值進行故障檢測邏輯判斷來檢測故障信號，完成雙電機伺服系統故障檢測。2.如權利要求1所述的一種基于觀測器的伺服系統的故障檢測方法，其特征在于：所述的步驟1包括如下步驟，步驟11，建立雙電機伺服系統的動力學模型，如公式(1)所示，RiIi+LiI·i+Ceiθmi·=UiKdiIi=Jmiθmi··+bmiθmi·+k(θmi-imθd)imkΣi=12(θmi-imθd)=Jdθd··+bdθd·---(1)]]>其中，i＝1，2，Ui是第i個電機的電壓，Ri是第i個定子電阻，Ii是第i個定子電流，Li是第i個定子電感，θmi是第i個電機轉角，是第i個電機轉速，Jmi是第i個電機轉動慣量，θd是負載轉角，是負載轉速，Jd表示負載轉動慣量，Cei是第i個電機的反電動勢系數，Kdi是第i個電機的電磁力矩系數，bm是等效粘性阻尼系數，im是傳動比，k是剛度系數；步驟12，令x1＝I1，x2＝I2，x3＝θm1，x5＝θm2，x7＝θd，將雙電機伺服系統(1)轉化為如公式(2)所示的狀態空間表達式：x·(t)=Ax(t)+Bu(t)y(t)=Cx(t)---(2)]]>其中，x(t)是狀態向量，u(t)是輸入向量，y(t)是輸出向量，A=-R1L100-Ce1L100000-R2L2000-Ce2L20000010000Kd1Jm10-kJm1-bm1Jm100kim1Jm10000001000Kd2Jm200-kJm2-bm2Jm2kim1Jm200000000100kimJd0kimJd0-2kim2Jd-bdJd,B=1L1001L2000000000000,]]>C＝[00000001]；步驟13，假設w(k)，v(k)為未知輸入向量，fa(k)為執行器故障，fs(k)為傳感器故障，經過離散化后，得到故障系統模型，如公式(3)所示：x(k+1)=A‾x(k)+B‾u(k)+Eww(k)+Ejfa(k)y(k)=Cx(k)+v(k)+Fjfs(k)---(3)]]>其中，T為采樣周期，Ew是已知的適維矩陣，Ef和Ff是故障矩陣分別表示執行器故障和傳感器故障對系統的影響。3.如權利要求1或2所述的一種基于觀測器的伺服系統的故障檢測方法，其特征在于：所述的步驟2包括如下步驟，步驟21，建...

【專利技術屬性】
技術研發人員：任雪梅，郭富民，李林偉，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11