[发明专利]一种电液伺服系统加性故障检测方法

权利要求书

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；

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；P_L＝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V_t、β_e、C_t、Q_L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Q_L＝(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，k_t表示与控制输入电压u相关的总流量增益，P_s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，x_q＝4β_eA[j₂(t)+η₂(t)g₂(t)]/V_t/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x_f以及x_q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x_f，以及非匹配加性故障和模型不确定性x_q均有界，满足：

|x_f|≤M₁,|x_q|≤M₂ (7)

式(7)中M₁、M₂均为已知正常数，且x_f、x_q的一阶导数存在且有界；

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x_f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；

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x_q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x_q的估计值，ω_o是扩张状态观测器的带宽且ω_o＞0；

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ω_o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，ω_o＞0。