[发明专利]基于双层结构的机械臂执行器故障容错控制系统及其方法

说明书

本发明运用分层结构控制优化思想，提出一种基于双层结构的机械臂执行器故障容错控制系统及其方法，属于自动控制技术领域。为减小计算量，提高实时性，采用泰勒级数展开式建立执行器故障下离散系统模型；设计FDD单元主动处理故障为题，将其估计的故障信息引入故障模型，实现主动容错；考虑实际系统存在的不确定因素，采用反馈校正机制进行补偿；机械臂容错控制器由轨迹规划层和跟踪控制层组成，根据每层不同的控制目标，分别设计控制器，对问题更有针对性。这种双层结构的容错控制能很好地处理存在的系统约束条件，具有强鲁棒性，能有效解决复杂机械臂执行器恒偏差故障问题，保障整个系统的稳定性和控制性能。

技术领域

本发明涉及一种基于双层结构的机械臂执行器故障容错控制系统及其方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

随着科技进步，在工业生产领域越来越多的应用机械臂完成生产任务，对其控制性能要求在不断提高，必须保证其执行器、传感器及其它元件的可靠性与准确性。特别是航空航天、航海等领域，特定工作环境对其控制系统的运行安全提出了更严格的规范。但控制系统在运行过程中容易造成设备磨损或遭受外界干扰，而且其力学执行器具有复杂非线性特点，长期处于工作状态极易发生故障情况。容错控制策略能够很好的消除执行器故障带来的不良影响，但是一般的容错控制方法没有考虑系统本身具有的动力学约束，很难达到稳定性和快速性的统一。机械臂在实际应用过程中其系统控制受限于系统构造和驱动性能，实现在系统约束情况下快速精确地系统控制也就及其重要。

而且，实际系统容易受未建模状态、未知参数及外界干扰等不确定因素的影响，不确定系统的控制问题已成为现代控制中一个重要探究方向。在实际应用中，机械臂系统存在着建模不精确及外界干扰等不确定性因素，是一个典型的强耦合、高度非线性的不确定复杂系统，因此，在机械臂控制系统设计时还应该考虑不确定性因素及系统复杂的动力学特性对其控制品质带来的影响，这给机械臂的容错控制带来困难与不便。

解决不确定机械臂系统控制器设计复杂，故障诊断与容错系统强耦合、高度非线性的技术难题，提供一种可满足实际运行过程中存在的系统约束需求的执行器恒偏差故障容错控制势在必行。

发明内容

为克服不确定机械臂系统控制器设计复杂，故障诊断与容错系统强耦合、高度非线性的技术难题，满足实际运行过程中存在的系统约束条件，本发明提供一种基于双层结构的机械臂执行器故障容错控制系统及其方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于双层结构的机械臂执行器故障容错控制系统，该系统包括：

机械臂执行器离散故障模型，采用泰勒级数展开式建立；

故障诊断(FDD)单元，其基于自适应观测器对故障主动进行诊断并估计故障信息，并将估计的故障信息引入机械臂执行器离散故障模型，实现主动容错；

机械臂容错控制器包括轨迹规划层和跟踪控制层，两层之间交互信息，根据每层不同的控制目标，分别设计控制器，其中，所述轨迹规划层设计轨迹规划控制器，规划出一条满足系统约束条件的最优参考轨迹；所述跟踪控制层为提高计算效率，采用简便方法设计轨迹跟踪控制器实现对参考轨迹的追踪；

预测故障模型，在轨迹规划层，利用MPC算法实现对故障机械臂预测时域内最优轨迹的规划，将得到的规划轨迹传递给跟踪控制层；

预测滑模故障模型，在跟踪控制层，将滑模控制引入模型预测控制设计中，利用跟踪误差向量构造预测滑模故障模型，求解优化问题得到控制侓，使故障机械臂系统各关节依然快速到达目标位置；

反馈校正机制补偿系统，对实际系统存在的不确定因素进行补偿。

本发明一种基于双层结构的机械臂执行器故障容错控制系统的方法，其包括以下步骤：