一种基于二维增益调节机制的两轴雕刻机故障估计方法技术

一种基于二维增益调节机制的两轴雕刻机故障估计方法，包括以下步骤：步骤1)，对两轴伺服运动控制系统进行模型辨识，确定两轴伺服运动控制系统的数学模型；步骤2)，基于二维增益调节机制的设计中间观测器；步骤3)，初始化观测器参数，计算观测器增益L(k,t)，F(k,t)。本发明专利技术通过二维增益调节机制在线调节一些关键参数，从而提高在线故障估计性能，提高估计效果的可靠性，提高了故障估计的精度。提高了故障估计的精度。提高了故障估计的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维增益调节机制的两轴雕刻机故障估计方法


[0001]本专利技术属于故障检测估计领域，具体提出了一种同时估计过程故障和传感器故障的基于IE的在线故障估计方法。提出了一种动态的二维增益调节机制，该机制通过在线调节一些关键参数，从而提高在线故障估计性能。

技术介绍

[0002]在某些需要实时监管的复杂工业场景中，由于可能发生系统部件老化或者不当操作，会不可避免地导致工作机床本体过程故障或数控系统传感器故障，因而无法及时地在突发情况中实现预定的控制性能。为了解决这一问题，需要首先识别和估计故障，并且采用在线实时识别的方式，该模式将比通过历史数据考察设备运作情况更精确。故障估计技术，是保证系统有效运行的强有力的工具，因为除了能够获得故障发生的时间外，设备操作员还可以得知故障的波形、大小以及系统损坏的程度。
[0003]现阶段基于解析模型的故障估计方法包括：滑模观测器、自适应观测器、未知输入观测器、鲁棒观测器等等。其中，基于性能指标最差情况下的鲁棒扩张状态观测器(ESOs)是在故障诊断领域中最常见的方法。然而，上述故障估计观测器大多是离线设计，应对某些复杂多变的系统时，难以灵活地提高其故障估计效果。具体来说，滑模观测器和自适应观测器中间观测器(Intermediate estimator，IE)，可以获得故障估计误差的上界，但是该上界通常是一个非常大的数，这就很难反映出有效的估计性能。由于鲁棒ESOs的设计是基于性能指标效果最差情况下的优化策略，因此同样的问题也发生在这类观测器中。另一方面，需要强调的是，现有的故障估计方法在保守性上仍然较为严格，例如鲁棒ESOs通常使用凸包理论求解一些线性矩阵不等式，但是实际系统参数只用到由凸集中构成顶点的一小部分。此外，自适应观测器需要设定几个等式约束，当系统参数发生变化时，这些约束条件很难被满足。
技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于二维增益调节机制的两轴雕刻机故障估计方法，提出的动态的二维增益调节机制能够在线调节一些关键参数，提高在线故障估计性能。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题提供了如下技术方案：
[0006]一种基于二维增益调节机制的两轴雕刻机故障估计方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1)，对两轴伺服运动控制系统进行模型辨识，确定两轴伺服运动控制系统的数学模型，经过系统辨识后得到该运动控制平台的数学模型如下
[0008]x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)+E
u
f
u
(k)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0009]y(k)＝Cx(k)+E
y
f
y
(k)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0010]其中分别表示系统状态、控制输入、测量输出、过程故障和传感器故障，分别表示适当维度的系统参数矩阵，表示对应故障的参数分布矩阵，此处假设
Eu为列满秩矩阵，如果E
u
＝B，则此时的过程故障f
u
(k)可以被视为执行器故障，将分别记为过程故障和传感器故障的变化率，此处假设二者都是有界的，即
[0011][0012]其中η＞0，γ＞0；
[0013]步骤2)，基于二维增益调节机制的设计中间观测器，过程如下：
[0014]首先，定义如下中间变量
[0015][0016]其中ω是一个待确定的调节参数，由它最终确定中间变量τ(k)的值，根据(2)和(4)得出如下系统模型
[0017][0018]系统的动力学方程只和时间轴参数k有关，而在后文中将要提及的新型IE中，除了沿着时间轴进行参数的更新和系统的运行以外，还考虑了在另外一个维度中对故障估计的结果进行改进，即在每一个采样周期的间隔中额外增加一组T步更新过程；在给出观测器的形式之前，有必要先对上述两个维度的估计更新策略进行如下说明：为了保证故障的估计性能，引入了一种带阈值的在线估计性能指标，IE通常沿着时间轴进行参数更新，当性能指标落在不满足阈值条件的范围内时，将激活在采样周期间隔内的纵向增益调节过程，IE将在上述两个维度的增益调节机制下运作，直到性能指标重新满足阈值条件，然后IE将继续沿着时间轴运行，即返回通常的一维更新模式；
[0019]步骤3)，初始化观测器参数，计算观测器增益L(k,t)，F(k,t)，过程如下：
[0020]初始化观测器参数：k:＝0，k
n
:＝0，t＝0，ω(k,t):＝ω(k
n
,t
n
)，t
s
:＝0，t
max
和阈值δ；启动迭代IE，通过(6)计算观测器增益L(k,t)，F(k,t)；
[0021]给定正标量α∈(0,1)和参数ω＞0，如果存在矩阵给定正标量α∈(0,1)和参数ω＞0，如果存在矩阵和标量ε＞0，满足
[0022][0023]则保证IE的估计误差系统状态一致最终有界，且满足其中，
[0024][0025][0026][0027][0028][0029]Π
′
11
＝Π
11
‑
αP1(k,t)，Π
′
22
＝Π
22
‑
αP2(k,t)
[0030]同时由上式得观测器增益矩阵为：
[0031]启动迭代IE，并得到以下估计值：
[0032][0033][0034][0035][0036]进一步，所述方法还包括以下步骤：
[0037]步骤4)，定义估计性能评价函数并根据评价函数判断是否进行纵向更新，过程如下：
[0038]计算并定义估计性能评价函数
[0039][0040]如果性能评价函数的值J≥δ，那么将进行纵向更新，ω(k
n
,t
n
):＝ω(k,t)+ξ1，当超过最大纵向更新步长t
max
时，估计性能评价函数仍大于阈值，则ω(k
n
,t
n
):＝ω(k,t)+ξ2，ξ1和ξ2分别表示ω(k,t)在两个维度上更新的步长；
[0041]步骤5)，根据评价函数判断是否进行横向更新，过程如下：
[0042]如果性能评价函数的值J≤δ，那么将进行横向更新，并将IE得到的估计值作为当前时刻最终的估计值，即前时刻最终的估计值，即输出
[0043]上述步骤中，观测器增益L(k,t)和F(k,t)通过求解稳定性条件获得，上述步骤中，观测器增益L(k,t)和F(k,t)通过求解稳定性条件获得，分别表示在采样时刻k下，第t步迭代后得到的估计值。到的估计值。是在k时刻最终得到的估计值，此外，表示输出估计误差的滑动平均值，是设计的评价估计效果的性能指标。q
d
代表上述滑动平均值的窗口时间，δ是根据特定系统预先选择的阈值。
[0044]本专利技术考虑两轴伺服运动控制平台中应用。该平台采用小本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维增益调节机制的两轴雕刻机故障估计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1)，对两轴伺服运动控制系统进行模型辨识，确定两轴伺服运动控制系统的数学模型，经过系统辨识后得到该运动控制平台的数学模型如下x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)+E
u
f
u
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)y(k)＝Cx(k)+E
y
f
y
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中分别表示系统状态、控制输入、测量输出、过程故障和传感器故障，分别表示适当维度的系统参数矩阵，表示对应故障的参数分布矩阵，此处假设Eu为列满秩矩阵，如果E
u
＝B，则此时的过程故障f
u
(k)可以被视为执行器故障，将分别记为过程故障和传感器故障的变化率，此处假设二者都是有界的，即其中η＞0，γ＞0；步骤2)，基于二维增益调节机制的设计中间观测器，过程如下：首先，定义如下中间变量其中ω是一个待确定的调节参数，由它最终确定中间变量τ(k)的值，根据(2)和(4)得出如下系统模型系统的动力学方程只和时间轴参数k有关，而在后文中将要提及的新型IE中，除了沿着时间轴进行参数的更新和系统的运行以外，还考虑了在另外一个维度中对故障估计的结果进行改进，即在每一个采样周期的间隔中额外增加一组T步更新过程；在给出观测器的形式之前，有必要先对上述两个维度的估计更新策略进行如下说明：为了保证故障的估计性能，引入了一种带阈值的在线估计性能指标，IE通常沿着时间轴进行参数更新，当性能指标落在不满足阈值条件的范围内时，将激活在采样周期间隔内的纵向增益调节过程，IE将在上述两个维度的增益调节机制下运作，直到性能指标重新满足阈值条件，然后IE将继续沿着时间轴运行，即返回通常的一维更新模式；步骤3)，初始化观测器参数，计算观测器增益L(k,t)，F(k,t)，过程如下：初始化观测器参数：k:＝0，k
n
:＝0，t＝0，ω(k,t):＝ω(k
n
,t
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨豫鹏，夏振浩，吴珺，朱俊威，顾曹源，周巧倩，张钧涵，王琪，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：