[发明专利]基于双层结构的机械臂执行器故障容错控制系统及其方法

权利要求书

1.一种基于双层结构的机械臂执行器故障容错控制系统，其特征在于，该系统包括：

机械臂执行器离散故障模型，采用泰勒级数展开式建立；

故障诊断(FDD)单元，其基于自适应观测器对故障主动进行诊断并估计故障信息，并将估计的故障信息引入机械臂执行器离散故障模型，实现主动容错；

机械臂容错控制器包括轨迹规划层和跟踪控制层，两层之间交互信息，根据每层不同的控制目标，分别设计控制器，其中，所述轨迹规划层设计轨迹规划控制器，规划出一条满足系统约束条件的最优参考轨迹；所述跟踪控制层为提高计算效率，采用简便方法设计轨迹跟踪控制器实现对参考轨迹的追踪；

预测故障模型，在轨迹规划层，利用MPC算法实现对故障机械臂预测时域内最优轨迹的规划，将得到的规划轨迹传递给跟踪控制层；

预测滑模故障模型，在跟踪控制层，将滑模控制引入模型预测控制设计中，利用跟踪误差向量构造预测滑模故障模型，求解优化问题得到控制侓，使故障机械臂系统各关节依然快速到达目标位置；

反馈校正机制补偿系统，对实际系统存在的不确定因素进行补偿。

2.一种基于双层结构的机械臂执行器故障容错控制系统的方法，其包括以下步骤：

步骤一、建立执行器故障下离散系统模型：针对式(1)所示机械臂执行器恒偏差故障的动力学模型，建立机械臂执行器恒偏差故障的状态空间方程式(2)，采用泰勒级数展开式对式(2)进行离散化处理，得到式(3)，

机械臂输入约束

τ_min≤τ≤τ_max

其中，q∈R^2×1是关节位置向量，是速度向量，是加速度向量，M(q)∈R^2×2是正定对称惯性矩阵，是科里奥利和离心扭矩向量，G(q)∈R²是重力引起的扭矩向量，τ∈R²为机械臂各关节控制力矩向量，假设各关节控制力矩相对独立；为未知的恒偏差故障函数项，为故障函数，T为故障发生时间；假设故障f范数有界，即||f||≤ρ，ρ为常数；ω是系统不确定因素；τ_max，τ_min分别是输入力矩的上界和下界；

机械臂执行器发生恒偏差故障的动力学模型：

机械臂输入约束

τ_min≤τ≤τ_max

其中，是系统状态向量，y是系统输出，

其中，

x(k)表示第k个采样时刻状态量，y(k)表示第k个采样时刻的输出量，τ(k)表示第k个采样时刻的控制输入量；

在轨迹规划层，将式(3)作为预测故障模型，基于模型预测控制进行理论推导得到优化控制量，根据优化控制量求得预测时域内使得性能指标最优的预测状态值作为跟踪控制层的期望值；

在跟踪控制层，将滑模控制引入模型预测控制设计中，利用跟踪误差向量构造预测滑模故障模型式(4)，求解优化问题得到控制侓，使故障机械臂系统各关节依然快速到达目标位置；

令跟踪误差向量e(k)＝x(k)-x_r(k)，其中，x(k)为当前时刻系统状态量，x_r(k+1)为期望值，x_r(k)为下一时刻期望值；

定义则跟踪误差动态方程为

定义滑模函数为

s(k)＝He(k)

其中，H∈R^m×2n为待设计参数；

由于滑动模态与系统不确定性和干扰无关，则预测滑模故障模型为

步骤二、故障诊断(FDD)单元设计：设计如下故障观测器如式(5)，由此估计故障信息，

其中，表示x(k)的估计值，表示y(k)的估计值，表示故障矩阵f(k)的估计值，L表示适当维数的观测器增益矩阵，选择合适的增益矩阵L设计故障估计观测器得到故障信息估计值

步骤三、反馈校正机制补偿系统设计：将得到的当前时刻实际值与过去时刻预测值作比较，得到预测误差，之后通过所得误差值对未来时刻的预测值进行反馈校正，能很好的对系统不确定性进行补偿；

步骤四、双层结构容错控制器设计：运用分层优化控制思想，轨迹规划层考虑目标位置、系统约束条件，设计满足系统条件的最优轨迹，跟踪控制层实现对最优轨迹的精确跟踪。