[发明专利]一种恒拉力系统的不可导故障重构方法

说明书

本发明公开了一种恒拉力系统的不可导故障重构方法，其步骤如下：步骤一、将系统状态与干扰进行增广得到新的增广系统；步骤二、针对增广系统设计状态观测器；步骤三、推导误差方程并判断误差方程稳定性；步骤四、重构电机的故障。本发明可以实现对悬吊式恒力系统电机的不连续、不可导故障进行准确重构，故障情况将更具一般性；本发明只需要对系统状态和干扰增广后设计故障重构观测器，而不需要对电机的故障进行增广处理，因此故障重构观测器的维数更低，从而可以有效降低计算负担，提高故障重构的快速性和实时性。

技术领域

本发明属于悬吊式恒力控制技术领域，涉及一种恒拉力系统的不可导故障重构方法。

背景技术

恒拉力控制系统由于可以提供稳定的拉力输出，同时对于负载竖直方向位移进行有效补偿，保证负载在运动过程中拉力的恒定性，因此在航天器低重力模拟、建材、冶金等领域有着重要的应用。另一方面，恒拉力系统在长时间的工作过程中，不可避免的收到外界扰动，输入噪声，器件老化等因素影响，这将会导致电机出现故障，并对系统运行期间的安全性与可靠性带来了潜在的危害。因此，通过故障重构方法的研究对于提高恒拉力系统的可靠性，降低维修成本，延长使用寿命有着重要的意义。

中国专利申请“ZL201610031324.0”提出了一种悬吊式恒力系统的在线故障诊断方法，该方法首先通过将系统状态、电机故障、外部干扰进行增广，并设计故障观测器实现对故障信息进行在线估计。该方法可以在计算机中软件中实现，有效避免了硬件冗余带来的抗干扰性的下降的问题，并且可以给出恒拉力系统中电机故障的准确信息。然而，该方法也存在以下不足：1、该方法在系统增广过程中引入了故障f_a(t)及其导数并在故障观测器切换项设计时需要故障的最大变化速率即故障导数的上界已知。而实际恒拉力系统在工作过程中由于信号的突然变化或环境的改变，不连续、不可导的故障不可避免的出现，而该方法无法处理对于这类故障的诊断与重构。2、该方法在实施过程中需要将状态、故障与干扰全部增广设计故障观测器。因此，故障观测器具有较高的维数，这也将增加了计算机的计算负担。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种恒拉力系统的不可导故障重构方法，解决现有恒拉力系统故障诊断方法无法处理不连续、不可导电机故障的估计与重构问题，实现对于不可导故障的准确估计，并通过降低观测器维数降低计算的负担，实现对恒拉力系统的在线故障诊断和实时的故障重构。

为解决上述技术问题，本发明的一种恒拉力系统的不可导故障重构方法，包括以下步骤：

步骤一：将系统状态与干扰进行增广得到新的增广系统；

步骤二：针对增广系统设计状态观测器；

步骤三：推导误差方程并判断误差方程稳定性；

步骤四：重构电机的故障。

本发明还包括：

1.步骤一中将系统状态与干扰进行增广得到新的增广系统具体为：

建立恒拉力系统数学模型为：

其中，状态向量x(t)＝[x₁(t) x₂(t) x₃(t)]^T，干扰向量控制输入向量为u(t)，x₁(t)为滚筒的转动角度，x₂(t)为滚筒的角速度，x₃(t)为滚筒的角加速度，u(t)为控制信号，f_a(t)为未知的电机故障，y(t)为吊索的拉力距离恒力指令的偏差，x_d(t)为负载竖直方向的位移；ξ，ω₁，k₁为电机的辨识参数，r为滚筒角度，k_d为缓冲机械部分的等效弹性系数，m_d为缓冲机械部分的等效质量，系统矩阵表示为：