[发明专利]可重构机械臂传感器故障实时诊断和容错系统及其方法

权利要求书

1.可重构机械臂传感器故障实时诊断和容错系统，其特征在于，该系统包括分散主控模块、故障检测模块、信号重构模块、主动切换装置、执行器及传感器信号采集子系统，所述传感器信号采集子系统包括位置传感器和速度传感器；所述分散主控模块与执行器连接，其用于利用模糊逻辑系统可任意精度拟合非线性函数的特性，采用模糊逻辑控制系统对子系统非线性项进行估计，并采用自适应调节器补偿系统估计误差；所述故障检测模块与传感器信号采集子系统连接，其用于先通过引入一阶滤波器将子系统传感器故障转化为伪执行器故障，再采用分散滑模观测器技术对子系统传感器故障进行检测，同时判断故障发生时间；所述信号重构模块与故障检测模块连接，其用于在所述故障检测模块判断出子系统位置传感器发生故障时，利用数字积分器对速度传感器信号进行积分，重构出位置信号；在所述故障检测模块判断出子系统速度传感器发生故障时，利用微分跟踪器重构出速度信号；所述主动切换装置分别与信号重构模块、故障检测模块、分散主控模块连接，其用于按照制定的主动切换策略，将故障信号通道关闭，开启相应的重构信号通道，将重构信号作为反馈送至分散主控模块实现可重构机械臂传感器故障的实时诊断与容错控制；所述执行器和传感器信号采集子系统，用于为系统运行提供动力支持和反馈信号。

2.可重构机械臂传感器故障实时诊断和容错方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，分散主控模块设计：当系统无传感器故障时，针对式(5)所示子系统动力学状态空间表达式，设计如式(10)-(12)所示的分散主控模块，使得关节模块能够精确跟踪期望轨迹；此分散主控模块包括CTC控制器、模糊控制系统和自适应调节器；

Si:x·i=Aixi+Bi[fi(qi,q·i)+gi(qi)ui+hi(q,q·,q··)]yi=Cixi---(5)]]>

u_i＝u_i0+u_ic   (10)

ui0=Mi(qi)(q··id-kive·i-kipei)+Ci(qi,q·i)q·i+Gi(qi)---(11)]]>

uic=-Mi(sgn(xiTPiBi)p^i(|xiTPiBi|,W^ip)+sgn(xiTPiBi)η^i)---(12)]]>式中，x_i是子系统S_i的状态向量，y_i是子系统S_i的输出，且Ai=0100]]>Bi=01]]>Ci=1001,]]>fi(qi,q·i)=Mi-1(qi)[-Ci(qi,q·i)q·i-Gi(qi)],]]>gi(qi)=Mi-1(qi),]]>hi(q,q·,q··)=-Mi-1(qi)Zi(q,q·,q··),]]>q∈Rⁿ为关节位置向量，M(q)∈R^n×n为惯性矩阵，为哥氏力和离心力项，G(q)∈Rⁿ为重力项；u_i0是计算力矩控制律，u_ic是鲁棒自适应模糊控制律，用来补偿系统不确定性.k_iv,k_ip是微分和比例常数，xi=eie·iT]]>定义为跟踪误差向量，Bi=01T.η^i]]>是可调参数；

第二步，故障检测模块设计：通过引入如式(20)的一阶滤波器将故障子系统方程扩展为式(22)，设计分散滑模观测器如式(23)，由此可判断出何种传感器何时发生故障：

z·ai=Aaizai+Baiyi---(20)]]>

S‾if:z·i=Aizi+Bi[fi(qi,q·i)+gi(qi)ui+hi(q,q,·q··)]z·ai=Aaizai+Bai(Cixi+Difsi)ya=zai---(22)]]>

S^if:z^·i=Aiz^i+Bi[f^i(qi,q·i)+g^i(qi)ui+p^i(|xiTPiBi|,W^ip)]z^·ai=Aaizai+Bai(Cixi+vi)y^a=z^ai---(23)]]>

其中，zai=zai1zai2,]]>Aai=-100-1,]]>Bai=1001,]]>是的估计，W~ipT=WipT-W^ipT]]>是权值估计误差，是可调参数向量，和由模糊逻辑系统估计得到；

第三步，信号重构模块设计：根据第二步判断出的故障传感器类型及故障发生时间，利用冗余传感器信息对故障传感器信号进行重构，即当位置传感器发生故障时，采用基于四阶变步长Runge-Kutta算法的积分器进行位置信号重构；当速度传感器发生故障时，采用如式(34)所示的数值微分器对速度信号进行重构；

ω·i1(t)=ωi2(t)-λi1|ωi1(t)-xi1(t)|×sgn(ωi1(t)-xi1(t))ω·i2(t)=-λi2sgn(ωi1(t)-xi1(t))x^i2(t)=x·^i1(t)=ωi2(t)---(34)]]>其中，为由位置传感器信号重构得到的速度信号，ω_i1,ω_i2为辅助变量，λ_i1,λ_i2为设计参数；

第四步，主动切换装置设计：基于第二步和第三步中所判断出的故障类型及重构信号，当判断出未发生传感器故障时，主动切换装置不进行信号切换，采用第一步中所设计的分散主控模块进行控制；当判断出位置传感器故障时，主动切换装置用位置重构信号取代位置传感器信号进行反馈控制；当判断出速度传感器故障时，主动切换装置用速度重构信号取代速度传感器信号进行反馈控制，从而实现反馈信号的主动切换，使发生传感器故障的可重构机械臂关节模块仍能精确跟踪期望轨迹，实现故障系统的容错控制，进而完成可重构机械臂传感器故障的实时诊断及容错方法。