[发明专利]一种平面机械臂系统及其分散式容错控制方法

权利要求书

1.一种平面机械臂系统，其特征在于：包括执行机构，角速度控制系统，识别器，切换器，分散式控制器和选择开关，所述执行机构、角速度控制系统、识别器、切换器、分散式控制器和选择开关依次连接，所述识别器的输入端与角速度控制系统的输出端连接形成闭环角速度控制系统；

识别器，用于对角速度控制系统所输出的角位置进行识别，并根据识别出的角位置判断其符合的线性模型得到切换信号，同时将该切换信号输出给切换器；

切换器，用于根据识别器发送的切换信号控制选择开关与对应的分散式控制器连通；

选择开关，包括输入端和一个以上的连接端；所述选择开关的输出端数目与分散式控制器的个数相同，所述选择开关根据切换器的控制选择一个输出端与其对应的分散式控制器连通；

分散式控制器，以机械臂的角速度，期望角速度为输入，得到角速度控制的控制信号，并将该控制信号发送到执行机构；

执行机构，用于在分散式控制器的控制信号的作用下得到平面机械臂的操作指令，并将该操作指令发送给角速度控制系统；

角速度控制系统，用于根据执行机构的操作指令对机械臂动作，以机械臂的角速度构成所述角速度控制系统的输出向量。

2.一种根据权利要求1所述的平面机械臂系统的分散式容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)针对不同种类的故障，建立不同的故障下的非线性模型；

(2)根据机械臂的不同角位置建立线性模型，用一组线性模型来逼近机械臂原始的非线性模型；

(3)为步骤(2)中得出的每个线性模型构建分散式滑模容错控制器；

(4)根据机械臂的当前角位置得到切换控制律，使得机械臂在步骤(3)中得出的控制器切换的情况下保持稳定。

3.根据权利要求2所述的一种平面机械臂系统的分散式容错控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中针对不同种类的故障，建立不同的故障下的非线性模型的具体步骤如下：

(1.1)改写平面机械臂带非完整约束的动力学模型为：

其中，q,代表关节的角位置和角速度，τ_d,分别代表外部扰动和实际输入转矩；M(q)∈R^n×n是一个对称的正定的惯性矩阵，代表科氏力和重力部分，H(q)∈R^n×n则是关于约束的一个矩阵函数；

(1.2)故障分为执行器故障和传感器故障，其中执行器故障分为加性故障和乘性故障并假设其发生在第r个子系统，传感器故障视为加性故障并假设其发生在第i个子系统，分别有以下的表达形式：

执行器加性故障：这类故障会导致实际控制转矩和期望的输出转矩τ_r之间存在一个未知甚至时变的偏差Δτ_r，表示为：

该偏差满足有界条件，即|Δτ_r|≤μ_r，其中μ_r为正常数；

执行器乘性故障：这类故障暗示执行器是部分失效的，实际的控制转矩是期望转矩与有效因子ρ_r的乘积，表示为

其中有效因子ρ_r∈(0,1)表示执行器故障的程度，ρ_r越小表示执行器故障越严重，当ρ_r＝0时表示执行器完全失效；

传感器加性故障：这类故障包括测量角位置不准确和测量角速度不准确两类，此时故障关节的控制器会收到不准确的角位置q_i或角速度信息，表示为

该偏差通常是有界的，即其中α_i和β_i是正常数。