長壽命空間機(jī)械臂在軌故障診斷、容錯(cuò)和預(yù)測策略研究項(xiàng)目摘要

我國空間機(jī)器人的研制正向著長壽命、業(yè)務(wù)服務(wù)型時(shí)代邁進(jìn)，有效的故障診斷和容錯(cuò)控制是關(guān)系到空間機(jī)械臂能否長期安全運(yùn)行的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)。在長壽命空間機(jī)器人安全保障技術(shù)方面,我國尚處起步階段，亟需建立一套科學(xué)、完善、具有實(shí)用價(jià)值的安全保障規(guī)范，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的在軌健康狀態(tài)評價(jià)與故障預(yù)測。. 本項(xiàng)目以空間站建設(shè)和外行星探測為應(yīng)用背景，針對分布式控制模式的多自由度、長壽命空間機(jī)械臂系統(tǒng)的安全控制問題，開展機(jī)械臂系統(tǒng)可靠性與容錯(cuò)設(shè)計(jì)、安全運(yùn)行控制和在軌健康狀態(tài)評價(jià)與故障預(yù)測等方面的研究工作。旨在研制具有在軌資源重構(gòu)能力的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)，構(gòu)建機(jī)械臂故障響應(yīng)與容錯(cuò)控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)傳感、控制與驅(qū)動系統(tǒng)故障的在線實(shí)時(shí)檢測，提出基于在軌參數(shù)辨識、能效分析等技術(shù)的長壽命空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)健康狀態(tài)評價(jià)與故障預(yù)測策略。該課題的深入研究對提高我國空間機(jī)械臂系統(tǒng)的智能化水平和運(yùn)行安全性具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

本項(xiàng)目以設(shè)計(jì)在軌工作壽命不少于10年的長壽命空間機(jī)械臂為應(yīng)用背景，以機(jī)械臂核心單機(jī)-關(guān)節(jié)（機(jī)械臂運(yùn)動的動力源）為研究目標(biāo)，從傳感系統(tǒng)優(yōu)化配置、在軌可重構(gòu)容錯(cuò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、在線故障檢測與容差控制策略等3個(gè)方面開展了系統(tǒng)性的研究工作。在對空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的失效模式與影響分析（FMEA）基礎(chǔ)上，以雙星型繞組表面式永磁同步電機(jī)為動力源，以雙繞組旋轉(zhuǎn)變壓器、雙全橋力矩傳感器等核心傳感系統(tǒng)，以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為核心處理器，完成了空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)可重構(gòu)容錯(cuò)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。相對于傳統(tǒng)雙控制器-冷備份控制結(jié)構(gòu)和單控制器-熱備份控制結(jié)構(gòu)，在元件可靠性相同的條件下，可靠性分別增加約3.9%和10.6%。通過設(shè)計(jì)具有掉電自動隔離能力的接口電路，實(shí)現(xiàn)了主份和備份子控制系統(tǒng)間既能同時(shí)上電協(xié)同工作，又能單獨(dú)上電相互隔離，協(xié)同工作時(shí)數(shù)據(jù)交互頻率不小于20KHz，滿足雙電流閉環(huán)控制要求，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在熱備控制模式下兩套繞組中的電流能夠很好地保持一致。提出了基于幅值追蹤的電機(jī)相電流幅值估計(jì)方法，利用估計(jì)得到的冗余相電流幅值信息設(shè)計(jì)了電流傳感器在線故障檢測方法和容錯(cuò)控制策略，實(shí)現(xiàn)了零點(diǎn)偏移、增益變化、信號丟失等多種故障模式的在線檢測和容錯(cuò)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法不但對于速度波動和電流幅值波動具有較好的魯棒性，還能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)同時(shí)出現(xiàn)的信號丟失故障的容錯(cuò)控制。基于冗余的電機(jī)位置和關(guān)節(jié)位置信息，實(shí)現(xiàn)了位置傳感器故障的在線檢測。基于電機(jī)位置、關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)剛度和電機(jī)電流信息，設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)力矩傳感器的故障檢測方法，再進(jìn)一步結(jié)合關(guān)節(jié)力矩傳感器信息，設(shè)計(jì)了基于能量和傳動效率的關(guān)節(jié)健康狀態(tài)評價(jià)機(jī)制。搭建了機(jī)械臂關(guān)節(jié)綜合性能試驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了所提方法的正確性、實(shí)用性和可行性。這項(xiàng)研究對于提高空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)的在軌使用壽命，保障安全運(yùn)行具有重要的作用。

對空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施容錯(cuò)控制是為了排除故障、提高運(yùn)行效率，而運(yùn)行效率是否提高、提高多少，取決于診斷的能力和容錯(cuò)的效果。如何定量評價(jià)空調(diào)系統(tǒng)的容錯(cuò)效果？目前仍未見相關(guān)報(bào)道。本研究從用能效率的角度，探索空調(diào)系統(tǒng)容錯(cuò)效果的定量評價(jià)機(jī)制，并研究針對異常能耗的快速檢測邏輯、多故障耦合的診斷及容錯(cuò)方法。首先繪制空調(diào)系統(tǒng)的能耗圖譜，提取能耗與關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)聯(lián)特征。采用小波對能耗向量解耦，通過對能耗的高、低頻特征進(jìn)行空間多維標(biāo)度分析來檢測故障。建立了上位級-下位級聯(lián)合的多故障解耦與診斷模型。對控制失效問題，確定了以相關(guān)參數(shù)組作為替補(bǔ)被控變量、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為輔助控制方法的容錯(cuò)方案。最后，提出容錯(cuò)效率的概念，定義了基準(zhǔn)能耗與控制目標(biāo)，建立了以熱舒適性（控制目標(biāo)）為約束、能耗為指標(biāo)的容錯(cuò)效率評估模型。本研究將豐富空調(diào)故障診斷的研究內(nèi)容，為空調(diào)容錯(cuò)評價(jià)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)高效運(yùn)行與節(jié)能。

本書系統(tǒng)地介紹了控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯(cuò)控制的理論及應(yīng)用。全書共7章，主要內(nèi)容包括控制系統(tǒng)故障的模型化、可檢測性，故障的統(tǒng)計(jì)檢測原理，基于數(shù)學(xué)模型和人工智能的故障診斷，系統(tǒng)重構(gòu)，完整性控制器設(shè)計(jì)，基于自適應(yīng)控制的容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)，基于人工智能的容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)和容錯(cuò)控制系統(tǒng)的性能評定與分析。

此外，還給出了大量的應(yīng)用實(shí)例，并將應(yīng)用技巧融匯其中，所涉及的領(lǐng)域有航空、航天和工業(yè)生產(chǎn)過程等。全書各部分內(nèi)容相互滲透，有機(jī)結(jié)合，有助于讀者正確認(rèn)識故障診斷和容錯(cuò)控制技術(shù)的本質(zhì)。

本書可供從事自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究的科技人員使用。也可供高等院校有關(guān)專業(yè)的師生參考。

第1章 緒論

1.1 智能故障診斷與容錯(cuò)控制的有關(guān)概念

1.2 智能故障診斷與容錯(cuò)控制的目的和意義

1.3 智能故障診斷與容錯(cuò)控制的研究內(nèi)容

1.4 智能故障診斷與容錯(cuò)控制的研究方法

1.5 智能故障診斷與容錯(cuò)控制的國內(nèi)外研究概況

1.6 本書的結(jié)構(gòu)體系和特色

1.7 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第2章 智能故障診斷與容錯(cuò)控制的構(gòu)成

2.1 智能故障診斷與容錯(cuò)控制的基本結(jié)構(gòu)

2.2 智能故障診斷與容錯(cuò)控制的構(gòu)成原理

2.3 智能故障診斷與容錯(cuò)控制的構(gòu)成方法

2.4 智能故障診斷與容錯(cuò)控制的評價(jià)指標(biāo)

2.5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第3章 智能故障診斷與容錯(cuò)控制方案

3.1 基于狀態(tài)反饋的故障診斷與容錯(cuò)控制

3.2 基于故障補(bǔ)償?shù)墓收显\斷與容錯(cuò)控制

3.3 基于多模冗余的故障診斷與容錯(cuò)控制

3.4 基于功能模塊的故障診斷與容錯(cuò)控制

3.5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷與容錯(cuò)控制

3.6 基于專家系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制

3.7 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第4章 智能故障診斷與容借控制策略

4.1 瞬時(shí)故障的消除

4.2 多模塊并行診斷決策

4.3 故障自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制

4.4 故障自適應(yīng)補(bǔ)償控制

4.5 故障自適應(yīng)重構(gòu)控制

4.6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第5章 智能故障診斷與容錯(cuò)控制的實(shí)現(xiàn)方法

5.1 故障信號檢測

5.2 故障特征識別

5.3 故障狀態(tài)預(yù)測

5.4 故障維修決策

5.5 故障容錯(cuò)控制

5.6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第6章 模糊故障診斷與容錯(cuò)控制

6.1 模糊故障診斷原理

6.2 模糊故障診斷方法

6.3 模糊故障容錯(cuò)控制

6.4 幾個(gè)問題的處理方法

6.5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第7章 專家系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)控制

7.1 專家系統(tǒng)概述

7.2 專家系統(tǒng)故障診斷原理

7.3 專家系統(tǒng)故障診斷方法

7.4 專家系統(tǒng)故障容錯(cuò)控制

7.5 翼型風(fēng)不洞運(yùn)行過程故障診斷與容錯(cuò)控制

7.6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第8章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷與容錯(cuò)控制

……

第9章 信息融合故障診斷與容錯(cuò)控制

第10章 智能故障診斷與容錯(cuò)控制

第11章 智能結(jié)構(gòu)故障診斷與容錯(cuò)控制

第12章 BIT故障診斷與容錯(cuò)控制

第13章 集成化妝故障診斷與容錯(cuò)控制

第14章 網(wǎng)絡(luò)化故障診斷與容錯(cuò)控制