一种基于自适应PI滑模观测器的伺服系统故障重构方法与流程

本发明涉及伺服系统故障诊断与重构，尤其涉及一种基于自适应pi滑模观测器的伺服系统故障重构方法。

背景技术：

1、伺服系统在现代工业控制领域扮演着至关重要的角色，广泛应用于机器人、数控机床、航空航天等领域。伺服系统的故障会导致整个控制系统性能下降甚至失效，造成严重损失，为保持稳定可靠工作，必须能够实时获取控制系统故障大小、类型及危害的严重程度等故障信息。

2、目前，多采用故障重构技术获取故障信息，故障重构技术是一种根据系统数学模型及被故障影响的状态变量估计出故障信号的技术，不仅能够给出系统是否故障，通过对重构信号的分析还能够获得故障的类型、故障的大小以及可能对系统造成危害的严重程度等信息。在众多故障重构方法中，比较典型的方法是基于滑模观测器的故障重构方法，通过利用滑模观测器进入滑动模态之后对外部扰动等具有不变性的特点，采用等效故障注入的思想直接使用滑模观测器重构出故障信号。

3、在使用常规滑模观测器进行故障重构时，前提条件是必须知道故障信号的边界，必须将滑模观测器的不连续项切换增益设定为大于故障信号的上边界，状态误差信号才会最终进入滑模面运动，从而精确重构出故障信号。而实际系统中，故障的边界往往是不可获知的，为使状态误差信号能够最终进入滑模面运动，不连续项切换增益多通过估算设定为一个较大值，如此一来，在故障较小时重构信号会产生高频抖振，而故障边界值大于不连续项切换增益时，重构信号不能很好的还原故障信号。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于自适应pi滑模观测器的伺服系统故障重构方法，通过改变控制系统采用滑模观测器进行故障重构时的增益设定方式，解决传统基于滑模观测器的方法需要故障边界等先验信息的问题，不需要任何故障先验信息，实现线性控制系统故障信息的精确重构。

2、本发明实施例的基于自适应pi滑模观测器的伺服系统故障重构方法，包括：

3、融合伺服系统状态矢量和传感器测量滤波矢量形成新的状态矢量，并基于所述新的状态矢量，建立增维状态空间模型；

4、基于所述增维状态空间模型，设计滑模观测器，并通过自适应pi函数替代所述滑模观测器中的不连续切换项，构建形成自适应pi滑模观测器；

5、所述自适应pi函数结构式为：

6、，

7、式中，为积分增益，为任意给定的非零比例增益；为输出估计误差；

8、根据如下公式进行自适应调整：

9、，

10、式中，为正数；

11、基于所述自适应pi滑模观测器重构传感器故障信号。

12、根据本发明的一些实施例，所述基于所述自适应pi滑模观测器重构传感器故障信号，包括：

13、设计坐标变换矩阵t，使得增维状态空间模型中新的状态矢量的相乘系统矩阵、调节器输入矢量的相乘系统矩阵满足：

14、

15、

16、式中，为稳定矩阵；

17、基于所述t对所述增维状态空间模型中传感器故障函数的相乘项进行转换，获得矩阵，是非奇异故障分布矩阵；

18、重构传感器故障信号值为：

19、。

20、根据本发明的一些实施例，所述融合伺服系统状态矢量和传感器测量滤波矢量形成新的状态矢量，并基于所述新的状态矢量，建立增维状态空间模型，包括：

21、构建状态空间模型：

22、公式1，

23、其中，t是系统运行时间，表示属于n维实数向量空间的系统状态矢量，为系统状态矢量的导数；表示属于m维实数向量空间的调节器输入矢量；表示属于p维实数向量空间的传感器测量的系统输出矢量；函数表示有界但未知的传感器故障函数；、、均为系统矩阵，分别为n行n列的实数矩阵、n行m列的实数矩阵、p行n列的实数矩阵，为故障矩阵，为p行q列的实数矩阵，满足，c是行满秩矩阵；

24、采用滤波器对传感器测量的系统输出矢量进行滤波处理；所述滤波器的滤波方式为：

25、 公式2，

26、其中，为传感器测量的系统输出矢量经滤波后的值，为导数，选择为稳定矩阵；

27、定义新的状态矢量为：

28、 公式3，

29、联立公式1-3，建立增维状态空间模型。

30、本发明实施例还提出一种计算机设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的基于自适应pi滑模观测器的伺服系统故障重构方法的步骤。

31、本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如上述的基于自适应pi滑模观测器的伺服系统故障重构方法的步骤。

32、本发明实施例还提出一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述程计算机序被处理器执行时实现如上所述的基于自适应pi滑模观测器的伺服系统故障重构方法的步骤。

33、本发明在基于常规滑模观测器故障重构方法基础之上使用自适应pi函数替代滑模观测器中的不连续项，设计一种自适应pi滑模观测器进行故障重构，通过使用这种方法，在观测器设计时不需要知道故障的任何先验信息，能够准确估计出故障信号。

34、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

1.一种基于自适应pi滑模观测器的伺服系统故障重构方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述自适应pi滑模观测器重构传感器故障信号，包括：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述融合伺服系统状态矢量和传感器测量滤波矢量形成新的状态矢量，并基于所述新的状态矢量，建立增维状态空间模型，包括：

4.一种计算机设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1或2或3所述的基于自适应pi滑模观测器的伺服系统故障重构方法的步骤。

5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1或2或3所述的基于自适应pi滑模观测器的伺服系统故障重构方法的步骤。

6.一种计算机程序产品，其特征在于，包括计算机程序，所述程计算机序被处理器执行时实现如权利要求1或2或3所述的基于自适应pi滑模观测器的伺服系统故障重构方法的步骤。