一種懸吊式恒力系統(tǒng)的在線故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于懸吊式恒力控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種懸吊式恒力系統(tǒng)的在線故障診斷 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 恒力控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，例如在冶金、線材方面保持拉力的 均勻性，以及在航天領(lǐng)域利用恒力系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行低重力環(huán)境模擬等，因此對于恒力系統(tǒng) 研究有著重要的價值。懸吊式恒力控制系統(tǒng)實現(xiàn)方案可參見文獻(xiàn)《低重力模擬系統(tǒng)控制策 略研究》，這是一種基于緩沖機(jī)械結(jié)構(gòu)與電機(jī)部分配合完成恒力控制任務(wù)，其中緩沖機(jī)械結(jié) 構(gòu)用來吸收負(fù)載的高頻擾動，電機(jī)部分用來補(bǔ)償負(fù)載豎直方向位移保持吊索的上的拉力恒 定。
[0003] 然而在實際工作過程中，由于元器件老化、外部環(huán)境的干擾，操作人員操作不當(dāng)?shù)?原因，降低了懸吊式恒力控制系統(tǒng)的可靠性。尤其是電機(jī)部分出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將無法準(zhǔn)確 的補(bǔ)償負(fù)載豎直方向運(yùn)動對恒力控制帶來的干擾，甚至?xí)霈F(xiàn)將負(fù)載甩出等情況，因此有 必要設(shè)計一種懸吊式恒力系統(tǒng)的故障診斷方法，避免意外的發(fā)生，保證系統(tǒng)運(yùn)行時的安全 性。
[0004] 目前，懸吊式恒力系統(tǒng)故障診斷方法存在以下幾個問題。傳統(tǒng)的懸吊式恒力系統(tǒng) 的故障診斷方法往往采用通過對吊索拉力是否超差和硬件冗余的方法來判斷。具體來說， 當(dāng)拉力值過大時判斷系統(tǒng)出現(xiàn)故障，但該方法無法判斷超差現(xiàn)象是否是出現(xiàn)故障還是控制 指令計算失誤導(dǎo)致，因此常常出現(xiàn)誤報。由于傳統(tǒng)方法只能給出故障的定性判斷，無法給出 故障具體信息，不方便操作人員的后續(xù)分析與檢修。利用硬件冗余通過在系統(tǒng)中增加某些 硬件的監(jiān)視模塊對懸吊式拉力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控會導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備體積增大與抗干擾能力的下 降，并增加了操作難度與開發(fā)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決傳統(tǒng)故障診斷方法常常出現(xiàn)誤報，無法給出故障具體信息，并且增加硬 件監(jiān)控模塊導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備體積增大與抗干擾能力的下降的問題，本發(fā)明提供了一種懸吊式 恒力系統(tǒng)在線故障診斷方法，應(yīng)用于恒力控制系統(tǒng)的故障診斷領(lǐng)域，實現(xiàn)故障的實時監(jiān)控。
[0006] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0007] -種懸吊式恒力系統(tǒng)的在線故障診斷方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟一、建立包含系統(tǒng)狀態(tài)、未知的電機(jī)故障、外部干擾的增廣模型：
[0009] 懸吊式恒力系統(tǒng)實現(xiàn)方案與數(shù)學(xué)模型參考文獻(xiàn)《低重力模擬系統(tǒng)控制策略研究》， 如公式(1)所示：
[0011]其中，X1(t)為滾筒的轉(zhuǎn)動角度，X2(t)為滾筒的角速度，X3(t)為滾筒的角加速度，u (t)為控制信號，fa(t)為未知的電機(jī)故障，y(t)為吊索的拉力距離恒力指令的偏差，Xd(t)為 負(fù)載豎直方向的位移;ξ，ω i，lu為電機(jī)的辨識參數(shù)，r為滾筒角度，kd為緩沖機(jī)械部分的等效 彈性系數(shù)，md為緩沖機(jī)械部分的等效質(zhì)量。為了方便表示，公式(1)可表示為：
[0013]為了得到故障的準(zhǔn)確信息，將原系統(tǒng)狀態(tài)變量x(t)與故障fa(t)、干擾部分Dd(t) 增廣為狀態(tài)變量對將乂,(〇 +義⑴和Dd⑴增廣為干擾向量/(/)，得到增廣系統(tǒng)⑶：
[0016] 其中，1"為!1維的單位陣。
[0017]為了方便表示，增廣系統(tǒng)⑶可寫為：
[0019]步驟二、設(shè)計在線故障觀測器模型：
[0021]
氧?)為系統(tǒng)狀態(tài)X(t)的估計值，/α(?)為故障f a(t)的估計 值，為式(2)中Dd(t)的估計值;Us(t)為觀測器的待設(shè)計切換項；z(t)為中間變量；& 為待設(shè)計的觀測器比例增益；.?為觀測器導(dǎo)數(shù)增益

[0023] 步驟三、建立全局誤差方程：
[0024] (a)對故障觀測器式(5)中第二個等式兩邊求導(dǎo)可以得到：
[0026] (b)對增廣系統(tǒng)式(3)等式兩邊加上得到式(7):
[0028] (c)定義誤差向量?。?旁⑴―得到誤差方程：
[0030]步驟四、設(shè)計在線故障觀測器中的比例增益：
[0031 ]若存在正定的5 X 5矩陣Ρ，5 X 5的矩陣Υ，滿足下列矩陣不等式：
[0033] 則#(〇 = ^[(I-是漸進(jìn)穩(wěn)定的，約- 0，即無外界干擾的情況下， 旁⑴,并且得到故障觀測器的增益變量= 。
[0034] 步驟五、設(shè)計在線故障觀測器的切換項：
[0035] 在線故障觀測器的切換項us(t)是用來抑制式(8)中負(fù)載運(yùn)動與故障的增廣向量 /⑴對于觀測誤差方程⑶的影響，u s(t)的設(shè)計過程如下：
[0036] 通過測量與實際經(jīng)驗可以得到負(fù)載豎直方向移動距離的最大位移^、負(fù)載豎直方 向的加速度的最大值以及可能發(fā)生故障的最大幅值fl和故障的最大變化速率f2，令
,則在線故障觀測器的切換項Us(t)設(shè)計為：
[0038] 其中，\(?) = /?(茂(f) - _>，⑴），K力2 X 1的待求矩陣，R的求解過程如下：
[0039]若存在2X1的矩陣R，標(biāo)量θ>〇,滿足下列矩陣不等式：
[0041 ] 其中，Ρ可通過式(9)得到。
[0042]步驟六、通過故障觀測器在線得到故障信息：
[0043] 按步驟一~步驟五的設(shè)計步驟，可以得到完整的如式(5)形式的在線故障觀測器， 將其輸入到計算機(jī)中，當(dāng)恒力系統(tǒng)運(yùn)行的同時，通過獲得控制指令與傳感器測量的吊索拉 力信號，便可以通過故障觀測器中增廣的狀態(tài)變量旁i/i在線的得到故障的準(zhǔn)確信息：
[0044] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0045] 1、本發(fā)明可以實現(xiàn)在懸吊式恒力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，在線的對電機(jī)的故障進(jìn)行監(jiān) 測，方便操作人員對于系統(tǒng)安全性的監(jiān)控，可以有效減少由于系統(tǒng)帶故障運(yùn)行所帶來的損 失；
[0046] 2、本發(fā)明可以實時的提供準(zhǔn)確的故障信息（例如故障幅值，頻率等），方便操作人 員后續(xù)的分析與維修；
[0047] 3、由于本發(fā)明可以嵌入到計算機(jī)中實現(xiàn)，只需要傳感器測量的吊索拉力信號與控 制指令即可實現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)硬件冗余帶來的設(shè)備體積增大與抗干擾能力的下降的問題， 并減少系統(tǒng)的成本，方便實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0048]圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0049]圖2為本發(fā)明實現(xiàn)方案示意圖；
[0050] 圖3為仿真示例1中的真實故障值(實線)與在線故障診斷方法得到的故障信息(虛 線)示意圖；
[0051] 圖4為仿真示例2中的真實故障值(實線)與在線故障診斷方法得到的故障信息(虛 線)示意圖。
【具體實施方式】
[0052] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0053] 本發(fā)明提供了一種懸吊式恒力系統(tǒng)的在線故障診斷方法，如圖1所示，具體實施步 驟如下：
[0054] 步驟一、建立包含系統(tǒng)狀態(tài)、未知的電機(jī)故障、外部干擾的增廣模型。
[0055]懸吊式恒力系統(tǒng)采用的數(shù)學(xué)模型參考文獻(xiàn)《低重力模擬系統(tǒng)控制策略研究》，如公 式(1)所示：
[0057]其中，X1(t)為滾筒的轉(zhuǎn)動角度，X2(t)為滾筒的角速度，X3(t)為滾筒的角加速度，u (t)為控制信號，fa(t)為未知