專利名稱：一種協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于生理性止血機(jī)制的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器及方法，主要適用于冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)或多機(jī)構(gòu)協(xié)同系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著機(jī)器人越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于航天、深海、核工業(yè)等特殊場(chǎng)合，機(jī)器人一旦出現(xiàn)故障工作人員難以取回，因此對(duì)可靠性與穩(wěn)定性也提出了更高的要求。機(jī)器人的容錯(cuò)能力成為一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，驅(qū)動(dòng)器和主動(dòng)關(guān)節(jié)是機(jī)器人的故障多發(fā)部件，因此在機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)往往采用冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)或者采用多機(jī)構(gòu)協(xié)同完成任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。這些機(jī)器人一般采用的容錯(cuò)方法是，設(shè)計(jì)主控制器和備用容錯(cuò)控制器，在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的切換。雖然在理論模型上冗余機(jī)構(gòu)按照備用容錯(cuò)控制器控制能夠較好地實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，但是在實(shí)際工程中故障關(guān)節(jié)變?yōu)榱艘粋€(gè)非線性的大負(fù)載，導(dǎo)致其它正常關(guān)節(jié)因?yàn)闄C(jī)械間隙、大摩擦力等原因誤差被累計(jì)放大，最終無(wú)法較精準(zhǔn)完成任務(wù)。因此為完成更加精準(zhǔn)的目標(biāo)，對(duì)智能的精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器提出了更高的要求。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種針對(duì)解決冗余設(shè)備或多機(jī)器人協(xié)同系統(tǒng)由于機(jī)械間隙、摩擦力等因素引起的誤差放大問(wèn)題的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器，特別是基于生理性止血機(jī)制啟發(fā)的能夠辨識(shí)設(shè)備信息在故障情況下重新補(bǔ)償優(yōu)化實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的容錯(cuò)控制器。中國(guó)發(fā)明專利CN99105211.0提出一種容錯(cuò)控制系統(tǒng)，主要采用配置多個(gè)冗余傳感器的方法進(jìn)行容錯(cuò)控制。中國(guó)發(fā)明專利CN 200910054458. 4提出一種用于容錯(cuò)控制的自校驗(yàn)方法，主要是采用多模塊信息冗余進(jìn)行判斷正確信號(hào)，確保了系統(tǒng)的可靠性。中國(guó)發(fā)明專利CN 201010209220. 7提出一種智能分步容錯(cuò)控制方法，主要是采用建立數(shù)據(jù)庫(kù)，然后切換為重構(gòu)容錯(cuò)控制器的一種方法。中國(guó)發(fā)明專利CN 200710179452.0 提出一種基于龍芯的三模冗余容錯(cuò)控制系統(tǒng)，主要采用冗余思想進(jìn)行容錯(cuò)控制。中國(guó)發(fā)明專利CN 200910071282. 3提出一種冗余控制的微小型水下機(jī)器人及故障診斷和容錯(cuò)控制方法，主要通過(guò)線性二次型最優(yōu)控制方法進(jìn)行基于故障的控制優(yōu)化分配，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。中國(guó)發(fā)明專利CN 200910030720. 1提出一種基于坐標(biāo)變換的徑向主動(dòng)磁懸浮軸承容錯(cuò)控制方法，主要應(yīng)用于主動(dòng)磁懸浮軸承容錯(cuò)控制。中國(guó)實(shí)用新型專利CN201020174267. X提出一種適用于核輻射探測(cè)機(jī)器人的容錯(cuò)控制器，該控制器主要是從控制硬件上進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)由備用冗余設(shè)備完成任務(wù)，優(yōu)化資源分配。中國(guó)實(shí)用新型專利 CN200920076963. 4提出一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的DCS三重容錯(cuò)控制器主要是從硬件設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)多重信息冗余交互判斷，提高系統(tǒng)的可靠性。美國(guó)發(fā)明專利20020U9214“SyStem and method for minimizing message transactions for fault-tolerant snapshots in a dual-controller environment”提出了一種雙邊環(huán)境容錯(cuò)控制器系統(tǒng)與方法。主要是采用一個(gè)計(jì)算機(jī)管理實(shí)施雙控制器環(huán)境中的源和目標(biāo)卷上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)快照的方法。美國(guó)發(fā)明專 ^lJ20060236150"Timer-based apparatus and method for fault-tolerant booting of a storage controller”提出一種基于定時(shí)器的容錯(cuò)存儲(chǔ)啟控制器設(shè)備與方法，其容錯(cuò)存儲(chǔ)控制器包括一個(gè)處理器，一個(gè)冗余副本的存儲(chǔ)方案，并自動(dòng)運(yùn)行一個(gè)計(jì)時(shí)器，采用冗余副本完成容錯(cuò)任務(wù)。美國(guó)發(fā)明專利 20080204160，20100141349"Universal and fault-tolerant multiphase digital PWM controller for high-frequency DC-DC converters，，主要針對(duì)一種高頻率的轉(zhuǎn)換器從硬件角度設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制。國(guó)際文獻(xiàn)“A fault tolerance framework for cooperative robotic manipulators，，中討論協(xié)同合作操作器的容錯(cuò)問(wèn)題，主要針對(duì)自由擺動(dòng)、鏈接斷裂、關(guān)節(jié)鎖住、錯(cuò)誤檢測(cè)四類故障進(jìn)行了討論，并提出了一種容錯(cuò)框架。國(guó)際 Amethodology for actuator failure recovery in parallel manipulators^i^iiS 了一種針對(duì)并聯(lián)操作器錯(cuò)誤后恢復(fù)的方法，主要是理論上應(yīng)用冗余特性建立備用運(yùn)動(dòng)控制策略實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，但沒(méi)有考慮實(shí)際工程實(shí)踐中的一些如機(jī)械間隙等問(wèn)題。國(guó)際文獻(xiàn)“Design modification ofparallel manipulators for optimum fault tolerance to joint jam，， 中提出一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)阻塞最優(yōu)容錯(cuò)的修正設(shè)計(jì)，在檢測(cè)到主動(dòng)關(guān)節(jié)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，由一個(gè)備份關(guān)節(jié)代替主動(dòng)關(guān)節(jié)，從而機(jī)械手能夠在發(fā)生故障后完成關(guān)鍵任務(wù)。綜述上所述，國(guó)內(nèi)外專利、文獻(xiàn)表明目前最廣泛的采用冗余、備用等方法、思想進(jìn)行容錯(cuò)控制，較少有在此機(jī)制或思想上的進(jìn)一步精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于生理性止血機(jī)制的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器及方法，確保在冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)或者多機(jī)構(gòu)協(xié)同系統(tǒng)控制過(guò)程中，在發(fā)生局部故障的情況下仍然能夠較精準(zhǔn)地完成預(yù)期任務(wù)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是提供一種協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器，包括機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊、協(xié)同容錯(cuò)控制模塊、η個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)，其中，η > 1， 所述的子系統(tǒng)包括誤差計(jì)算模塊、一級(jí)控制器、自適應(yīng)優(yōu)化模塊、協(xié)同補(bǔ)償模塊、二級(jí)控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；所述的機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊用于檢測(cè)被控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)被控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算原始目標(biāo)信號(hào)；所述的協(xié)同容錯(cuò)控制模塊用于接收所述的機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊輸出的原始目標(biāo)信號(hào)和所述的各個(gè)子系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信號(hào)，在子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)辨識(shí)各個(gè)子系統(tǒng)的相互關(guān)系，向子系統(tǒng)中的誤差計(jì)算模塊發(fā)出容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)，向協(xié)同補(bǔ)償模塊發(fā)出補(bǔ)償信號(hào)；所述的誤差計(jì)算模塊根據(jù)收到的容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)和實(shí)時(shí)運(yùn)行信號(hào)計(jì)算子系統(tǒng)的控制誤差，并向所述的一級(jí)控制器和自適應(yīng)優(yōu)化模塊輸出控制誤差信號(hào)；所述的自適應(yīng)優(yōu)化模塊用于接收所述的誤差計(jì)算模塊發(fā)出的控制誤差信號(hào)并對(duì)所述的控制誤差信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化處理，并將自適應(yīng)優(yōu)化處理后的信號(hào)發(fā)送至所述的一級(jí)控制器；所述的一級(jí)控制器根據(jù)自適應(yīng)優(yōu)化模塊處理的信號(hào)向二級(jí)控制器輸出控制信號(hào)；所述的協(xié)同補(bǔ)償模塊用于接收協(xié)同容錯(cuò)控制模塊輸出的補(bǔ)償信號(hào)，并進(jìn)行累計(jì)補(bǔ)償，輸出補(bǔ)償控制信號(hào)；所述的二級(jí)控制器根據(jù)接收到的一級(jí)控制器的控制信號(hào)和協(xié)同補(bǔ)償模塊輸出的補(bǔ)償控制信號(hào)對(duì)所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。所述的機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊為運(yùn)動(dòng)學(xué)模型模塊或機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)模塊。所述的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型模塊包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。所述的協(xié)同容錯(cuò)控制模塊包括容錯(cuò)選擇單元、故障監(jiān)控單元、補(bǔ)償優(yōu)化單元和η 個(gè)容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元，其中，η > 1 ；所述的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元與所述的子系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)；所述的故障監(jiān)控單元用于檢測(cè)出發(fā)生故障的子系統(tǒng)；所述的容錯(cuò)選擇單元用于接收原始目標(biāo)信號(hào)，根據(jù)故障監(jiān)控單元輸出的信號(hào)選擇相應(yīng)的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元，并將收到的原始目標(biāo)信號(hào)傳輸給所述的相應(yīng)的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元；所述的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元根據(jù)收到的原始目標(biāo)信號(hào)計(jì)算出容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)，并輸出容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)；所述的補(bǔ)償優(yōu)化模塊根據(jù)所述的容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)和各個(gè)子執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信號(hào)計(jì)算補(bǔ)償信號(hào)，向所述的協(xié)同補(bǔ)償模塊輸出補(bǔ)
償信號(hào)。所述的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元為先前學(xué)習(xí)、訓(xùn)練的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)單元。所述的機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊、協(xié)同容錯(cuò)控制模塊、η個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)均導(dǎo)入 PC系統(tǒng)由CUP控制或嵌入運(yùn)動(dòng)控制卡中作為單獨(dú)的硬件設(shè)備使用。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是還提供協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制方法，包括以下步驟(1)機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊檢測(cè)被控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)被控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算原始目標(biāo)信號(hào)；(2)協(xié)同容錯(cuò)控制模塊用于接收原始目標(biāo)信號(hào)和各個(gè)子系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋信號(hào)，在子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)辨識(shí)各個(gè)子系統(tǒng)的相互關(guān)系，向子系統(tǒng)中的誤差計(jì)算模塊發(fā)出容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)，向協(xié)同補(bǔ)償模塊發(fā)出補(bǔ)償信號(hào)；(3)誤差計(jì)算模塊根據(jù)收到的容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)和實(shí)時(shí)運(yùn)行信號(hào)計(jì)算子系統(tǒng)的控制誤差；(4) 一級(jí)控制器根據(jù)自適應(yīng)優(yōu)化模塊處理的信號(hào)向二級(jí)控制器輸出控制信號(hào)；(5)協(xié)同補(bǔ)償模塊接收補(bǔ)償信號(hào)，進(jìn)行累計(jì)補(bǔ)償輸出補(bǔ)償控制信號(hào)；(6) 二級(jí)控制器根據(jù)一級(jí)控制器輸出的控制信號(hào)和協(xié)同補(bǔ)償模塊輸出的補(bǔ)償控制信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。所述的步驟(1)中的機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊為運(yùn)動(dòng)學(xué)模型模塊或機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)模塊。所述的原始目標(biāo)信號(hào)通過(guò)所述的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算得到。所述的步驟O)中包括以下子步驟(a)故障監(jiān)控單元檢測(cè)出發(fā)生故障的子系統(tǒng)；(b)容錯(cuò)選擇單元接收原始目標(biāo)信號(hào)，根據(jù)故障監(jiān)控單元輸出的信號(hào)選擇相應(yīng)的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元，并將收到的原始目標(biāo)信號(hào)傳輸給所述的相應(yīng)的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元；(c)所述的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元根據(jù)收到的原始目標(biāo)信號(hào)計(jì)算出容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)，并輸出容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)；(d)補(bǔ)償優(yōu)化模塊根據(jù)容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)和各個(gè)子執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信號(hào)計(jì)算補(bǔ)償信號(hào)，并向協(xié)同補(bǔ)償模塊輸出補(bǔ)償信號(hào)。所述的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元為先前學(xué)習(xí)、訓(xùn)練的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)單元，并通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或非線性擬合的方法計(jì)算容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)。本發(fā)明中的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器的技術(shù)原型來(lái)源于生理學(xué)中的生理性止血機(jī)制，生理性止血機(jī)制主要包括血管收縮、血小板血栓形成和血液凝固三個(gè)過(guò)程1)血管受到損后，損傷性刺激立即引起局部血管收縮，若破損不大即可使小血管封閉?；醚軗p傷后，內(nèi)皮下組織暴露，可以激活血小板，并且由血小板促使激活血漿中的凝血系統(tǒng)，以及促使血管收縮使血流暫?；驕p慢，利于血小板粘附與聚集，形成一個(gè)松軟的止血栓，完成初步止血?；醚苁軗p也可以啟動(dòng)凝血系統(tǒng)，在局部迅速發(fā)生血液凝固，使血漿中可溶性的纖維蛋白原轉(zhuǎn)變成不溶性的纖維蛋白，并交織成網(wǎng)，以加固止血栓，稱二期止血。最后，局部纖維組織增生，并長(zhǎng)出血凝塊，達(dá)到永久性止血。生理性止血雖然分為血管收縮、血小板血栓形成和血液凝固三個(gè)過(guò)程，但是這三個(gè)過(guò)程相繼發(fā)生并重疊，彼此密切相關(guān)。根據(jù)上述生理性止血調(diào)控機(jī)制與特性，結(jié)合工業(yè)中的冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)或多機(jī)構(gòu)協(xié)同系統(tǒng)控制特性，本發(fā)明提出了相應(yīng)的協(xié)同智能容錯(cuò)控制方法某一血管的生理性止血調(diào)控過(guò)程，可以看成控制系統(tǒng)中的某一個(gè)子系統(tǒng)或子機(jī)構(gòu)消除偏差的過(guò)程；其中血管損傷可以看成該子系統(tǒng)出現(xiàn)控制偏差；血管內(nèi)皮下組織暴露可以看成檢測(cè)裝置檢測(cè)偏差的過(guò)程；而激活血小板作為生理性止血系統(tǒng)中的核心過(guò)程則可以看成反饋控制系統(tǒng)中重要的計(jì)算控制誤差的過(guò)程；在血小板和血管收縮作用下形成血小板止血栓(初步止血)可以看成在誤差較大的情況下，控制子系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算誤差進(jìn)行誤差收縮優(yōu)化防止發(fā)生超調(diào)或劇烈變化， 形成初步的自適應(yīng)控制；而在凝血系統(tǒng)、纖維蛋白的作用下形成血凝塊(二期止血)可以看成子系統(tǒng)能夠在整體系統(tǒng)發(fā)生局部故障的情況下，激活協(xié)同容錯(cuò)功能，進(jìn)行計(jì)算誤差的補(bǔ)償修正和在初步控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行二級(jí)補(bǔ)償?shù)木珳?zhǔn)控制。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明由生理性止血機(jī)制提出了協(xié)同智能容錯(cuò)控制方法，使冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)或多機(jī)構(gòu)協(xié)同系統(tǒng)在發(fā)生局部故障的情況下，能夠自主辨識(shí)故障信息(機(jī)械間隙、摩擦力等復(fù)雜信息) 和智能計(jì)算出故障需要的補(bǔ)償優(yōu)化控制信號(hào)，通過(guò)正常關(guān)節(jié)的協(xié)同控制進(jìn)行智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制，從而使得冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)或多機(jī)構(gòu)協(xié)同系統(tǒng)仍然能夠按照原目標(biāo)完成任務(wù)，解決了在遠(yuǎn)程控制或緊急控制情況下，發(fā)生故障后的精準(zhǔn)容錯(cuò)控制問(wèn)題。本發(fā)明相對(duì)于傳統(tǒng)的依靠冗余結(jié)構(gòu)或思想提出的容錯(cuò)方法具有更高的智能性、精準(zhǔn)性，并且提出的生理性止血機(jī)制的容錯(cuò)控制方法也為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提出了一種新的方法。


圖1是本發(fā)明的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器結(jié)構(gòu)方框圖；圖2是本發(fā)明中的協(xié)同容錯(cuò)控制模塊結(jié)構(gòu)方框圖；圖3是本發(fā)明協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制方法原理圖；圖4是事例設(shè)備的幾何示意圖；圖5是訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)示意圖；圖6是實(shí)驗(yàn)結(jié)果第一對(duì)比效果圖；圖7是實(shí)驗(yàn)結(jié)果第二對(duì)比效果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。本發(fā)明的第一實(shí)施方式涉及一種協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器，如圖1所示，包括機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊1、協(xié)同容錯(cuò)控制模塊2、多個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)3和被控設(shè)備4。其中，每個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)又包括誤差計(jì)算模塊301、一級(jí)控制器302、自適應(yīng)優(yōu)化模塊303、協(xié)同補(bǔ)償模塊304、二級(jí)控制器305和執(zhí)行機(jī)構(gòu)306。機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊1為運(yùn)動(dòng)學(xué)模型模塊，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型模塊主要包括被控設(shè)備 4與各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)306之間的正運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，一般情況下通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型能夠把被控機(jī)構(gòu)的任務(wù)目標(biāo)轉(zhuǎn)換成各個(gè)子系統(tǒng)3的執(zhí)行目標(biāo)，利用正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型再通過(guò)子系統(tǒng) 3的運(yùn)行狀態(tài)判斷出被控機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)通常逆運(yùn)動(dòng)學(xué)較易求得，正運(yùn)動(dòng)學(xué)較難求得，若無(wú)法求解正運(yùn)動(dòng)學(xué)，本發(fā)明只求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型也能完成預(yù)期任務(wù)，除此之外此模塊也可以由其它檢測(cè)手段如機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)模塊來(lái)代替。協(xié)同容錯(cuò)控制模塊2相當(dāng)于一個(gè)多系統(tǒng)協(xié)同辨識(shí)補(bǔ)償模塊，當(dāng)設(shè)備各個(gè)子系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，不進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，只起到信號(hào)傳輸作用。而在某一子系統(tǒng)或子機(jī)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，能夠通過(guò)辨識(shí)各個(gè)系統(tǒng)的相互關(guān)系判斷出對(duì)其他正常系統(tǒng)的容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)和協(xié)同補(bǔ)償信號(hào)，使整個(gè)系統(tǒng)在某些子系統(tǒng)故障的情況下仍然能夠完成相同的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)的協(xié)同容錯(cuò)控制。如圖4所示，該模塊主要包括一個(gè)容錯(cuò)選擇單元201，一個(gè)故障監(jiān)控單元202， 若干容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元203和一個(gè)補(bǔ)償優(yōu)化單元204，其中，容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元203與子系統(tǒng)3 —一對(duì)應(yīng)。故障監(jiān)控單元202能夠判斷出故障子系統(tǒng)，容錯(cuò)選擇單元201根據(jù)故障監(jiān)控單元202信號(hào)選擇相應(yīng)的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元203 (假設(shè)，發(fā)生故障的子系統(tǒng)為第j個(gè)子系統(tǒng)，那么容錯(cuò)選擇單元?jiǎng)t自動(dòng)會(huì)選擇第j個(gè)容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元netp，并將輸入原始目標(biāo)信號(hào)傳輸給選定的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元203得到對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，此時(shí)協(xié)同容錯(cuò)控制模塊2中輸出容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)與輸入原始目標(biāo)信號(hào)關(guān)系可以表示為[貧(/)4(/),…Λ(Of = 義網(wǎng)⑴為⑴’…^ (Of(1)其中，= 1，2，…η)表示設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)由逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算出第i個(gè)子系統(tǒng)的原始目標(biāo)信號(hào)，司(4 (i = 1,2,…η)表示在容錯(cuò)控制情況下，由容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元203計(jì)算出的輸出給第i個(gè)子系統(tǒng)中誤差計(jì)算模塊的容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)。協(xié)同容錯(cuò)控制模塊 2中的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元Iietj為先前學(xué)習(xí)、訓(xùn)練的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，可以采用目前研究比較成熟的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、非線性擬合等方法。補(bǔ)償優(yōu)化單元204能夠讀取各個(gè)子執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信號(hào)θ ’ At)，(i = 1,2,…η)和上述計(jì)容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元203計(jì)算出的容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)辦O, (i = l，2，···!!)，并向子系統(tǒng)3中的協(xié)同補(bǔ)償模塊304輸出補(bǔ)償信號(hào)Ejt)，(i = 1，2，… η)。其計(jì)算過(guò)程如下如果第j個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障無(wú)法驅(qū)動(dòng)，那么根據(jù)該關(guān)節(jié)的誤差ej(t) ^ej(I)-O1j (/)(2)則可以計(jì)算其它子系統(tǒng)i的協(xié)同補(bǔ)償信號(hào)為
權(quán)利要求
1.一種協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器，包括機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊(1)、協(xié)同容錯(cuò)控制模塊O)、η個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)(3)，其中，η > 1，其特征在于，所述的子系統(tǒng)(3)包括誤差計(jì)算模塊(301)、一級(jí)控制器(30 、自適應(yīng)優(yōu)化模塊(30 、協(xié)同補(bǔ)償模塊(304)、二級(jí)控制器(30 和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(306)；所述的機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊(1)用于檢測(cè)被控設(shè)備(4)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)被控設(shè)備(4)的運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算原始目標(biāo)信號(hào)；所述的協(xié)同容錯(cuò)控制模塊(2) 用于接收所述的機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊(1)輸出的原始目標(biāo)信號(hào)和所述的各個(gè)子系統(tǒng)(3) 中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(306)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信號(hào)，在子系統(tǒng)(3)發(fā)生故障時(shí)辨識(shí)各個(gè)子系統(tǒng)(3)的相互關(guān)系，向子系統(tǒng)(3)中的誤差計(jì)算模塊(301)發(fā)出容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)，向協(xié)同補(bǔ)償模塊(304) 發(fā)出補(bǔ)償信號(hào)；所述的誤差計(jì)算模塊(301)根據(jù)收到的容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)和實(shí)時(shí)運(yùn)行信號(hào)計(jì)算子系統(tǒng)(3)的控制誤差，并向所述的一級(jí)控制器(30 和自適應(yīng)優(yōu)化模塊(30 輸出控制誤差信號(hào)；所述的自適應(yīng)優(yōu)化模塊(30 用于接收所述的誤差計(jì)算模塊(301)發(fā)出的控制誤差信號(hào)并對(duì)所述的控制誤差信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化處理，并將自適應(yīng)優(yōu)化處理后的信號(hào)發(fā)送至所述的一級(jí)控制器(302)；所述的一級(jí)控制器(30 根據(jù)自適應(yīng)優(yōu)化模塊(30 處理的信號(hào)向二級(jí)控制器(30 輸出控制信號(hào)；所述的協(xié)同補(bǔ)償模塊(304)用于接收協(xié)同容錯(cuò)控制模塊( 輸出的補(bǔ)償信號(hào)，并進(jìn)行累計(jì)補(bǔ)償，輸出補(bǔ)償控制信號(hào)；所述的二級(jí)控制器 (305)根據(jù)接收到的一級(jí)控制器(302)的控制信號(hào)和協(xié)同補(bǔ)償模塊(304)輸出的補(bǔ)償控制信號(hào)對(duì)所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(306)進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器，其特征在于，所述的機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊(1)為運(yùn)動(dòng)學(xué)模型模塊或機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器，其特征在于，所述的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型模塊包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器，其特征在于，所述的協(xié)同容錯(cuò)控制模塊( 包括容錯(cuò)選擇單元001)、故障監(jiān)控單元002)、補(bǔ)償優(yōu)化單元(204)和η個(gè)容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元003)，其中，η > 1 ；所述的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元(203)與所述的子系統(tǒng)(3) 一一對(duì)應(yīng)；所述的故障監(jiān)控單元(20 用于檢測(cè)出發(fā)生故障的子系統(tǒng)(3)；所述的容錯(cuò)選擇單元(201)用于接收原始目標(biāo)信號(hào)，根據(jù)故障監(jiān)控單元(20 輸出的信號(hào)選擇相應(yīng)的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元(20 ，并將收到的原始目標(biāo)信號(hào)傳輸給所述的相應(yīng)的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元 (203)；所述的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元(20 根據(jù)收到的原始目標(biāo)信號(hào)計(jì)算出容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)，并輸出容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)；所述的補(bǔ)償優(yōu)化模塊(204)根據(jù)所述的容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)和各個(gè)子執(zhí)行機(jī)構(gòu)(306)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信號(hào)計(jì)算補(bǔ)償信號(hào)，向所述的協(xié)同補(bǔ)償模塊(304)輸出補(bǔ)償信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器，其特征在于，所述的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元O03)為先前學(xué)習(xí)、訓(xùn)練的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器，其特征在于，所述的機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊(1)、協(xié)同容錯(cuò)控制模塊(2)、η個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)(3)均導(dǎo)入PC系統(tǒng)由CUP 控制或嵌入運(yùn)動(dòng)控制卡中作為單獨(dú)的硬件設(shè)備使用。
7.—種如權(quán)利要求1所述的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步驟(1)機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊檢測(cè)被控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)被控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算原始目標(biāo)信號(hào)；(2)協(xié)同容錯(cuò)控制模塊用于接收原始目標(biāo)信號(hào)和各個(gè)子系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋信號(hào)，在子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)辨識(shí)各個(gè)子系統(tǒng)的相互關(guān)系，向子系統(tǒng)中的誤差計(jì)算模塊發(fā)出容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)，向協(xié)同補(bǔ)償模塊發(fā)出補(bǔ)償信號(hào)；(3)誤差計(jì)算模塊根據(jù)收到的容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)和實(shí)時(shí)運(yùn)行信號(hào)計(jì)算子系統(tǒng)的控制誤差；(4)一級(jí)控制器根據(jù)自適應(yīng)優(yōu)化模塊處理的信號(hào)向二級(jí)控制器輸出控制信號(hào)；(5)協(xié)同補(bǔ)償模塊接收補(bǔ)償信號(hào)，進(jìn)行累計(jì)補(bǔ)償輸出補(bǔ)償控制信號(hào)；(6)二級(jí)控制器根據(jù)一級(jí)控制器輸出的控制信號(hào)和協(xié)同補(bǔ)償模塊輸出的補(bǔ)償控制信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制方法，其特征在于，所述的步驟(1)中的機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊為運(yùn)動(dòng)學(xué)模型模塊或機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制方法，其特征在于，所述的原始目標(biāo)信號(hào)通過(guò)所述的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算得到。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制方法，其特征在于，所述的步驟(2) 中包括以下子步驟(a)故障監(jiān)控單元檢測(cè)出發(fā)生故障的子系統(tǒng)；(b)容錯(cuò)選擇單元接收原始目標(biāo)信號(hào)，根據(jù)故障監(jiān)控單元輸出的信號(hào)選擇相應(yīng)的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元，并將收到的原始目標(biāo)信號(hào)傳輸給所述的相應(yīng)的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元；(c)所述的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元根據(jù)收到的原始目標(biāo)信號(hào)計(jì)算出容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)，并輸出容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)；(d)補(bǔ)償優(yōu)化模塊根據(jù)容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)和各個(gè)子執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信號(hào)計(jì)算補(bǔ)償信號(hào)，并向協(xié)同補(bǔ)償模塊輸出補(bǔ)償信號(hào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制方法，其特征在于，所述的容錯(cuò)辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)單元為先前學(xué)習(xí)、訓(xùn)練的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)單元，并通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或非線性擬合的方法計(jì)算容錯(cuò)目標(biāo)信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制器，包括機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊、協(xié)同容錯(cuò)控制模塊、n個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)，其中，n＞1，所述的子系統(tǒng)包括誤差計(jì)算模塊、一級(jí)控制器、自適應(yīng)優(yōu)化模塊、協(xié)同補(bǔ)償模塊、二級(jí)控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本發(fā)明還涉及一種協(xié)同智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制方法，該方法能夠針對(duì)工程實(shí)踐中冗余機(jī)構(gòu)或多機(jī)構(gòu)協(xié)同系統(tǒng)在真實(shí)的工程實(shí)踐中機(jī)械部分(主要指驅(qū)動(dòng)器和主動(dòng)關(guān)節(jié))發(fā)生局部故障時(shí)，能夠自動(dòng)主辨識(shí)故障信息(機(jī)械間隙、摩擦力等復(fù)雜信息)和智能計(jì)算出故障需要的補(bǔ)償優(yōu)化控制信號(hào)，通過(guò)正常關(guān)節(jié)的協(xié)同控制進(jìn)行智能精準(zhǔn)容錯(cuò)控制。本發(fā)明相對(duì)于傳統(tǒng)的依靠冗余結(jié)構(gòu)或思想提出的容錯(cuò)方法具有更高的智能性、精準(zhǔn)性。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102298324SQ20111016902
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者丁永生, 程麗俊, 郝礦榮, 郭崇濱 申請(qǐng)人:東華大學(xué)