基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙連桿柔性機(jī)械臂事件觸發(fā)故障檢測研究

黃明滔 張志慧

摘要：本文針對(duì)具有未知函數(shù)、未建模動(dòng)態(tài)和擾動(dòng)的雙連桿柔性機(jī)械臂系統(tǒng)，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的事件觸發(fā)故障檢測策略。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似和事件觸發(fā)機(jī)制的框架下，提出了一種故障檢測觀測器。該方案在保證故障檢測性能的同時(shí)，降低了網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)擔(dān)。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：故障檢測;事件觸發(fā)機(jī)制;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);雙連桿柔性機(jī)械臂

中圖分類號(hào)：TP302? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）26-0088-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on Event-triggered Fault Detection of Double Link Flexible Manipulator Based on Neural Network

HUANG Ming-tao， ZHANG Zhi-hui

（Shenyang University of Technology， School of Artificial Intelligence， Shenyang? 110870， China）

Abstract： In this paper， an event-triggered fault detection strategy based on neural network is proposed for nonlinear double link flexible manipulator systems with unknown functions， unmodeled dynamics and disturbances. Based on the framework of neural network approximation and event triggering mechanism， a fault detection observer is proposed. This scheme can ensure the performance of fault detection and reduce the burden of network communication. Finally， the effectiveness of the proposed method is verified by simulation.

Key words： fault detection; event-triggered mechanism; neural networks; double link flexible manipulator

1引言

隨著安全需求的不斷增加，故障檢測在汽車控制系統(tǒng)制造過程等動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中已成為最重要的組成部分。基于模型的故障檢測問題在線性系統(tǒng)中已經(jīng)相當(dāng)成熟;許多研究者都致力討論非線性系統(tǒng)的故障檢測，然而，在系統(tǒng)中存在未知的非線性函數(shù)，很少涉及故障檢測問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性函數(shù)未知的故障檢測中發(fā)揮了積極的作用，如將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法與非線性觀測器結(jié)合進(jìn)行故障檢測[1]。事件觸發(fā)機(jī)制[2]的設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的性能，減少通信負(fù)擔(dān)。所以本文提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的事件觸發(fā)故障檢測的方法。

2問題描述

2.1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

雙連桿柔性機(jī)械臂的非線性動(dòng)力學(xué)模型為，用廣義坐標(biāo)[q1]和[q2]表示關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2的角度位置以及在這些關(guān)節(jié)上施加的扭矩[τ1]和[τ2]的運(yùn)動(dòng)方程為：

[H11H12H21H22q1q2+-hq2-hq1+q2hq10q1q2=τ1τ2]? ? ? ? （1）

在執(zhí)行器發(fā)生故障時(shí)，用廣義坐標(biāo)[q1]和[q2]表示關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2的角度位置以及在這些關(guān)節(jié)上施加的扭矩[τ1]和[τ2]的運(yùn)動(dòng)方程為：

[q1q2=-M（q）-1-hq2-hq1+q2hq10q1q2+M（q）-1τ1τ2+Δ（k-t）ξq1，q2，q1，q2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[ξq1，q2，q1，q2]是未知的故障函數(shù)向量。為了將上述系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成空間形式，可以選擇下列系統(tǒng)狀態(tài)變量：

[x=x1x2x3x4T=q1q2q1q2T]，

[u=τ1τ2T]，[Mc-1（q）=00M31M4100M32M42T]

[M31=1a1+2a3cosq2+2a4sinq2]，

[M32=-a2+a3cosq2+a4sinq2a2a1+2a3cosq2+2a4sinq2]

[M41=-a2+a3cosq2+a4sinq2a2a1+2a3cosq2+2a4sinq2]，

[M42=1a2]

[a1=I1+m1l2i1+I2+m2l2i2+m2l21，a2=I2+m2l2i2，a3=m2l1li2cosδ1，a4=m2l1li2sinδ1]

式（2）可以表示為：

[x=f1（x）+g（x）+Δ（k-t）ξ（x）y=Cx]? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[f1（x）=0010000100f331f34100f431f441x1x2x3x4]。

其中，

[f331=hx4a1+2a3cosx2+2a4sinx2+hx3a2+a3cosx2+a4sinx2a2a1+2a3cosx2+2a4sinx2]