一种电液伺服系统加性故障检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种电液伺服系统加性故障检测方法。该方法步骤如下：选取双出杆液压缸电液位置伺服系统作为研究对象，建立系统的非线性模型；进行非匹配加性故障和模型不确定性观测器设计及分析；进行匹配加性故障和模型不确定性观测器设计及分析；调节参数对电液伺服系统进行加性故障估计；通过设计扩张状态观测器能够有效针对匹配的加性故障进行估计；通过设计扰动观测器能够有效针对非匹配的加性故障进行估计。本发明专利技术方法中加性故障检测控制策略参数调节简单，对于轻微加性故障能够主动漏检，对严重故障能够及时警告，对早期小幅值加性故障能够及时预警，更利于在工程实际中应用。

An additive fault detection method for electro-hydraulic servo system

The invention discloses an additive fault detection method of an electro-hydraulic servo system. The steps of this method are as follows: select the electro-hydraulic position servo system of double output hydraulic cylinder as the research object, establish the nonlinear model of the system; design and analyze the observer of non matching additive fault and model uncertainty; design and analyze the observer of matching additive fault and model uncertainty; adjust the parameters to estimate the additive fault of the electro-hydraulic servo system; expand the system through design The Zhang state observer can effectively estimate the matched additive fault, and the disturbance observer can effectively estimate the unmatched additive fault. In the method of the invention, the parameter adjustment of the additive fault detection control strategy is simple, the slight additive fault can be missed actively, the serious fault can be warned in time, and the early small value additive fault can be warned in time, which is more conducive to the application in engineering practice.

【技术实现步骤摘要】
一种电液伺服系统加性故障检测方法
本专利技术涉及机电液伺服控制
，特别是一种电液伺服系统加性故障检测方法。
技术介绍
电液伺服系统由于具有功率密度大、动态响应快的突出优点，广泛应用于航空、航天、工业工程等各种领域。近年来，随着信号处理技术、人工智能技术和控制理论等基础学科的迅速发展，液压系统故障检测在国内外得到了广泛重视并取得了重要进展。根据故障在电液伺服系统数学模型中的表现，故障类型可划分为加性故障(执行器故障、传感器故障等)和乘性故障(参数故障)。而进行故障检测的方法可以分为基于信号的故障检测和基于模型的故障检测，其中基于信号的故障检测依赖于信号测量及数据处理技术，提取故障特征以评估系统是否异常；而基于模型的故障检测则利用冗余的系统解析模型输出与系统真实输出产生残差，进而判别系统故障与否。一般而言，基于信号的故障检测较准确、虚警率较低，但数据处理量较大；而基于模型的故障检测则依赖于较准确的系统模型，易于在线实现，但故障检测的鲁棒性与敏感性权衡困难。目前，电液伺服系统故障检测尚存在如下问题：一、缺乏行之有效的故障在线检测方法：目前绝大多数研究者都是基于已知的单一故障或少数几种故障组合，采用数据处理提取故障信号特征或者基于模型的系统参数和/或状态估计的方法，检测或辨识可能存在的故障，当面临未知故障时不仅无能为力，甚至适得其反，造成所设计的故障检测手段过于片面、难于实际使用。基于故障特征提取的数据处理技术虽然可以较好地辨识系统已知故障，但故障检出率好的算法却极为复杂、庞大和笨拙，这种复杂的故障检测方法不利于在线尽早检测、及时维护预防的目标实现，也不利于后续潜在的容错设计。基于模型的参数辨识和/或状态估计等在线学习方法虽然较易工程实现，但却存在故障学习的潜在风险，其检测阈值的选取问题，即故障检测的鲁棒性与敏感性的最优权衡问题也还远未解决。二、缺乏参数调节简单的故障检测方法：目前的故障检测方法中，参数比较多导致调节比较复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种效果理想、参数简单的基于扰动观测器和扩张状态观测器的电液伺服系统加性故障检测方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种电液伺服系统加性故障检测方法，该方法基于扰动观测器和扩张状态观测器，具体步骤如下：步骤1，建立双出杆液压缸位置伺服系统数学模型；步骤2，进行非匹配加性故障和模型不确定性观测器设计及分析；步骤3，进行匹配加性故障和模型不确定性观测器设计及分析；步骤4，调节参数对电液伺服系统进行加性故障估计。进一步地，步骤1所述建立双出杆液压缸位置伺服系统数学模型，具体如下：根据牛顿第二定律并考虑系统中的模型不确定性以及非匹配加性故障，得到系统的运动学方程为：式(1)中m和y分别表示系统惯性负载的质量和运动位移；PL＝P1-P2表示双出杆液压缸进、出油腔的压力差，其中P1为进油腔的压力，P2为出油腔的压力；A表示双出杆液压缸左、右两腔的有效活塞面积；B为粘性摩擦系数；为由系统外部干扰、未建模的摩擦力以及难以建模的因素导致的总的不确定性非线性项；η1(t)和分别为潜在的非匹配加性故障的时间描述及数学模型，η1(t)的表达式如下：式(2)中，T1为该故障发生的时间，μ1表征该故障发展的速率，由式(2)知，小于设定值的μ1表征缓变故障，大于设定值的μ1表征突变故障；双出杆液压缸执行器的负载压力动态表达为：式(3)中Vt、βe、Ct、QL分别为双出杆液压缸的控制腔总容积、液压油弹性模量、双出杆液压缸的泄漏系数及伺服阀负载流量，其中QL＝(Q1+Q2)/2，Q1为由伺服阀进入双出杆液压缸进油腔的液压流量，Q2为由伺服阀流出双出杆液压缸回油腔的液压流量；j2(t)为建模误差，η2(t)和g2(t)分别为潜在的匹配加性故障的时间描述及数学模型，η2(t)的表达式与式(2)相同；假设伺服阀响应速度快于设定值即伺服阀频宽远高于系统频宽，即简化伺服动态为比例环节，因此伺服阀负载流量方程写为：式(4)中，kt表示与控制输入电压u相关的总流量增益，Ps为液压源供油压力，s(u)表示为：针对双出杆液压缸伺服系统，由式(1)、(3)及(4)表征的非线性模型，定义系统状态变量为则系统非线性模型的状态空间形式为：式(6)中φ1(x2)＝-Bx2/m，为非匹配加性故障以及模型不确定性项，xq＝4βeA[j2(t)+η2(t)g2(t)]/Vt/J为匹配加性故障和模型不确定性项；其中参数均为名义值且已知，参数B、m的变化造成的不确定性影响归结到xf以及xq中；在设计加性故障检测策略之前作出以下假设：假设1：函数r(u,x3)关于x3在实际范围内Lipschitz有界且r(u,x3)远离0；假设2：非匹配加性故障和模型不确定性xf，以及非匹配加性故障和模型不确定性xq均有界，满足：|xf|≤M1,|xq|≤M2(7)式(7)中M1、M2均为已知正常数，且xf、xq的一阶导数存在且有界。进一步地，步骤2所述进行非匹配加性故障和模型不确定性观测器设计及分析，具体如下：定义为非匹配加性故障以及模型不确定性项xf的估计值，基于式(6)，设计扰动观测器为：式(8)中l是可调整的正常数；通过式(8)设计的扰动观测器，通过调节l使观测误差小于设定阈值。进一步地，步骤3所述进行匹配加性故障和模型不确定性观测器设计及分析，具体如下：将式(6)中的匹配加性故障和模型不确定性项xq扩张为冗余状态，并定义基于式(6)中的第三个方程，设计扩张状态观测器为：式(9)中分别是状态x3及冗余状态xq的估计值，ωo是扩张状态观测器的带宽且ωo＞0。进一步地，步骤4所述调节参数对电液伺服系统进行加性故障估计，具体如下：调节增益l使扰动观测器估计系统的非匹配加性故障和模型不确定性，l＞0；调节增益ωo使扩张状态观测器估计系统的匹配加性故障和模型不确定性，ωo＞0。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)选取双出杆液压缸电液位置伺服系统作为研究对象，建立了系统的非线性模型，同时考虑了系统的匹配和非匹配的加性故障和模型不确定性，通过设计扩张状态观测器能够有效针对匹配的加性故障进行估计，通过设计扰动观测器能够有效针对非匹配的加性故障进行估计；(2)设计的加性故障检测控制策略参数调节简单，对于轻微加性故障能够主动漏检，对严重故障能够及时警告，对早期小幅值加性故障能够及时预警，更利于在工程实际中应用。附图说明图1是本专利技术双出杆液压缸电液伺服位置系统示意图。图2是电液伺服系统加性故障检测原理示意图。图3为非匹配加性故障在线监测性能示意图。图4为非匹配加性故障标识示意图。图5为非匹配加性故障观测误差示意图。图6为匹配加性故障在线监测性能示意图。图7为匹配加性故障标识示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电液伺服系统加性故障检测方法，其特征在于，该方法基于扰动观测器和扩张状态观测器，具体步骤如下：/n步骤1，建立双出杆液压缸位置伺服系统数学模型；/n步骤2，进行非匹配加性故障和模型不确定性观测器设计及分析；/n步骤3，进行匹配加性故障和模型不确定性观测器设计及分析；/n步骤4，调节参数对电液伺服系统进行加性故障估计。/n

【技术特征摘要】
1.一种电液伺服系统加性故障检测方法，其特征在于，该方法基于扰动观测器和扩张状态观测器，具体步骤如下：
步骤1，建立双出杆液压缸位置伺服系统数学模型；
步骤2，进行非匹配加性故障和模型不确定性观测器设计及分析；
步骤3，进行匹配加性故障和模型不确定性观测器设计及分析；
步骤4，调节参数对电液伺服系统进行加性故障估计。


2.根据权利要求1所述的电液伺服系统加性故障检测方法，其特征在于，步骤1所述建立双出杆液压缸位置伺服系统数学模型，具体如下：
根据牛顿第二定律并考虑系统中的模型不确定性以及非匹配加性故障，得到系统的运动学方程为：



式(1)中m和y分别表示系统惯性负载的质量和运动位移；PL＝P1-P2表示双出杆液压缸进、出油腔的压力差，其中P1为进油腔的压力，P2为出油腔的压力；A表示双出杆液压缸左、右两腔的有效活塞面积；B为粘性摩擦系数；为由系统外部干扰、未建模的摩擦力以及难以建模的因素导致的总的不确定性非线性项；η1(t)和分别为潜在的非匹配加性故障的时间描述及数学模型，η1(t)的表达式如下：



式(2)中，T1为该故障发生的时间，μ1表征该故障发展的速率，由式(2)知，小于设定值的μ1表征缓变故障，大于设定值的μ1表征突变故障；
双出杆液压缸执行器的负载压力动态表达为：



式(3)中Vt、βe、Ct、QL分别为双出杆液压缸的控制腔总容积、液压油弹性模量、双出杆液压缸的泄漏系数及伺服阀负载流量，其中QL＝(Q1+Q2)/2，Q1为由伺服阀进入双出杆液压缸进油腔的液压流量，Q2为由伺服阀流出双出杆液压缸回油腔的液压流量；j2(t)为建模误差，η2(t)和g2(t)分别为潜在的匹配加性故障的时间描述及数学模型，η2(t)的表达式与式(2)相同；
假设伺服阀响应速度快于设定值即伺服阀频宽远高于系统频宽，即简化伺服动态为比例环节，因此伺服阀负载流量方程写为：



式(4)中，kt表示与控制输入电压u相关的总流量增益，Ps为液压源供油压力，s(u)表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：杨贵超，姚建勇，乐贵高，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32