[发明专利]一种电动舵机伺服系统的故障建模方法

说明书

本发明公开了一种电动舵机伺服系统的故障建模方法，该方法将电动舵机伺服系统根据其物理结构划分为若干个功能单元，系统工作正常时每个功能单元的输出与其输入都具有确定关系，这种关系可用标称模型G(s)来描述，而故障产生时由于故障的影响，导致故障所处功能单元输入输出的这种确定关系将被打破，显现出故障表象，用故障模型G′(s)表示。与现有技术相比，本发明的有益效果是：根据电动舵机伺服系统的物理结构将其划分为若干功能单元，考虑功能单元内部状态、输入和输出之间的相互关系，建立各个功能单元完善的故障模型，从而形成全系统的故障模型，并可以通过各单元输入输出比较对故障进行定位。

技术领域

本发明涉及机电伺服系统故障建模方法，特别是一种电动舵机伺服系统的故障建模方法。

背景技术

控制系统故障理论一般包括故障建模、故障诊断、故障分离与容错决策及评价等内容。目前系统故障诊断及容错设计理论已得到广泛研究并取得大量成果，而关于故障机理分析和故障建模理论还有待进一步研究。故障建模目的在于建立系统的故障模型，研究故障时系统状态和输出表象变化，通过故障建模能够建立起故障模式与故障表征之间的映射关系，并可以形成故障知识库，为故障诊断和故障预测提供知识积累。

发表于《航天控制》2011年05期的文章《航天器的故障建模与应用》采用故障描述矩阵对执行机构故障进行刻画，可以描述执行机构输出量的完全失效、部分失效或间歇失效。这种方法只能在宏观层次上对执行机构进行有限种类故障的描述，无法对故障进行定位，不利于故障的分析。

目前电动舵机系统故障建模存在的不足主要包括：a)对系统故障的刻画不够细致，无法对故障进行定位并确定故障来源；b)对故障种类描述不够完善，仅能对有限的几种典型故障进行建模；c)仅考虑了故障对系统输出的影响，没有考虑故障对系统内部状态的作用，不利于故障分析。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的问题，提供一种电动舵机伺服系统的故障建模方法，基于标称模型的电动舵机伺服系统故障建模方法，采用统一的故障描述形式对系统各功能单元故障进行描述，能够获得全系统较为完整的故障模型。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种电动舵机伺服系统故障建模方法，该方法将电动舵机伺服系统根据其物理结构划分为若干个功能单元，系统工作正常时每个功能单元的输出与其输入都具有确定关系，这种关系可用标称模型G(s)来描述，而故障产生时由于故障的影响，导致故障所处功能单元输入输出的这种确定关系将被打破，显现出故障表象，用故障模型G′(s)表示。本发明认为所有故障表象都是在正常系统表象的基础上加入故障因素形成，不同的故障因素导致不同的故障表象。因此，通过此方法可以建立功能单元的故障模型，将各个功能单元按物理关系彼此相连得到完整的系统故障模型，从而可对系统的各种故障进行分析，具体步骤如下：

步骤一、根据电动舵机伺服系统的物理结构将电动舵机伺服系统划分为多个功能单元，然后建立电动舵机伺服系统各个功能单元的标称模型，再按照电动舵机伺服系统的物理连接和信号流向将各功能单元的标称模型彼此连接建立形成电动舵机伺服系统的标称模型，其中功能单元包括：

控制器，由模拟电路搭建实现变结构控制律，接收飞控系统指令和位置反馈信号，执行控制算法，以占空比形式输出控制量；

功率驱动器，由H桥电路构成，根据占空比大小输出对应幅值的电机驱动电压值，功率驱动器为一饱和环节，其上下限为舵机功率电压的幅值；

伺服电机，采用永磁直流电机，可用二阶环节来描述，传递函数为：

式中，K_m为电机放大系数，τ_m为其机电时间常数，ω(s)为电机角速度，θ(s)为电机输出角度，u_v(s)为电机绕组两端电压；