現(xiàn)場儀表的主動(dòng)補(bǔ)償容錯(cuò)控制策略研究

摘 要：該文講述了現(xiàn)場儀表控制系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的故障，詳細(xì)分析了傳感器與執(zhí)行器產(chǎn)生故障的原因，在此基礎(chǔ)上，給出了主動(dòng)補(bǔ)償容錯(cuò)的控制策略。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場儀表 補(bǔ)償容錯(cuò) 策略研究

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（b）-0005-01

常規(guī)的控制回路是建立在一般的過程控制系統(tǒng)上的?；芈分g相互配合，如果當(dāng)中有一個(gè)部位出現(xiàn)問題，那么整個(gè)控制回路的作用就都會(huì)受到牽連，最嚴(yán)重的就是導(dǎo)致真?zhèn)€系統(tǒng)面臨癱瘓。根據(jù)這個(gè)原理，科學(xué)、快速解決控制回路中出現(xiàn)的問題，可以保證整個(gè)控制系統(tǒng)的高效運(yùn)行。但是對(duì)于連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)來說，系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)和更換在一定程度上會(huì)影響到生產(chǎn)的進(jìn)程，所以，根據(jù)主動(dòng)補(bǔ)償容錯(cuò)控制的思想對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)的容錯(cuò)控制，從而保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作。

1 傳感器出現(xiàn)故障描述

在現(xiàn)場實(shí)際的工業(yè)過程中，傳感器由于外界環(huán)境的影響和自身的特點(diǎn)，會(huì)出現(xiàn)很多不一樣的故障。例如：漂移故障、誤差故障、精度不準(zhǔn)確故障和完全故障。前三種故障出現(xiàn)故障的現(xiàn)象不明顯，也而被成為軟故障，很難被檢測出來，這使得它們的破壞程度比完全故障——硬故障要嚴(yán)重。

傳感器的控制屬于多條線路輸入、輸出的非線性動(dòng)態(tài)控制，其發(fā)生故障模型為：

x=f（x，u）+η（t-T）

y（t）=g（x，u）+（t）+B（t-T）F（x，u，t）

這上面公式中，x∈Rm，狀態(tài)矢量；u∈Rm，輸入矢量；f（x，u）屬于系統(tǒng)的非線性模型；模型的不確定性由η（x，u）表示[1]。

2 執(zhí)行器出現(xiàn)故障描述

整個(gè)系統(tǒng)控制回路的末端就是執(zhí)行器。執(zhí)行器對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)的良好運(yùn)行發(fā)揮著重要的作用。在工業(yè)工程中比較常見的執(zhí)行器就是閥門。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，一旦閥門出現(xiàn)故障或者操作方法不正確，就會(huì)導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)不能正常進(jìn)行，達(dá)到一定嚴(yán)重程度就會(huì)發(fā)生意外事故。與此同時(shí)，在控制系統(tǒng)中，許多關(guān)鍵部門的閥門不但價(jià)格昂貴，更換也很不方便，所以對(duì)閥門的故障分析就顯得非常重要。

2.1 閥門控制原理

執(zhí)行部門、閥門定位器、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)這三個(gè)部門組成了閥門。控制器的輸出信號(hào)通過執(zhí)行結(jié)構(gòu)從展板成為控制閥門的推理，從而進(jìn)一步完成了從推理向角位移信號(hào)的轉(zhuǎn)變；位移信號(hào)通過調(diào)解機(jī)構(gòu)對(duì)流通面積產(chǎn)生影響，進(jìn)一步改變流體流量，從而改變流體流量?？刂葡到y(tǒng)的作用通過閥門的定位器部分實(shí)現(xiàn)改善。定位器和閥桿位移量形成了控制系統(tǒng)的另一條回路控制，達(dá)到對(duì)摩擦力很好的克服作用。充分利用閥門的定位器和被控制的變量形成串級(jí)控制[2]。

2.2 閥門常見故障

根據(jù)閥門的機(jī)構(gòu)可以把故障進(jìn)行合理分類，分為一般外部故障、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)故障以及定位器故障等。例如：當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的壓力供給降低時(shí)，就會(huì)造成閥門的突變故障；當(dāng)閥桿的活動(dòng)范圍超越正常閥桿的范圍時(shí)，就會(huì)堵塞閥門，從而讓閥門出現(xiàn)衰減故障。（如表1）

注：Hf表示閥桿移動(dòng)范圍；H0表示正常閥桿移動(dòng)范圍；fs表示故障強(qiáng)度；F0表示正常時(shí)閥的輸出流量；Ff表示故障時(shí)閥的輸出流量；Dbf表示故障時(shí)滯后環(huán)度；Xf表示故障時(shí)閥桿移動(dòng)距離；Kwf表示故障時(shí)閥流量系數(shù)；Tlf表示故障時(shí)載體溫度；Tl0表示正常載體溫度；Kw0表示正常時(shí)閥流量系數(shù)[3]。

3 主動(dòng)補(bǔ)償容錯(cuò)控制策略

在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，負(fù)反饋和控制回路的交合會(huì)造成整個(gè)控制系統(tǒng)回路的故障擴(kuò)大化，因此故障不會(huì)帶來控制系統(tǒng)較大變化，根據(jù)這個(gè)原理，對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的在線故障調(diào)節(jié)很難實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的故障很多可以預(yù)見，或者是一些故障經(jīng)常發(fā)生。把全部故障根據(jù)故障特征建立相應(yīng)的故障模型，通過科學(xué)、合理的主動(dòng)補(bǔ)償容錯(cuò)控制，處理以后存儲(chǔ)在容錯(cuò)控制庫里面。系統(tǒng)能夠根據(jù)故障模塊對(duì)工作進(jìn)行診斷，判定出故障的位置，進(jìn)一步采取措施隔離故障措施。所以，在工業(yè)現(xiàn)場，儀表儀器的主動(dòng)容錯(cuò)控制得到了廣泛的應(yīng)用。由此推理，首先進(jìn)行故障檢測，找到控制容錯(cuò)方法，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況決定采用系統(tǒng)基礎(chǔ)閉環(huán)控制或者是人機(jī)跟進(jìn)監(jiān)督管理等方法[4]。

系統(tǒng)基礎(chǔ)閉環(huán)控制層是由傳感器、執(zhí)行器和信號(hào)轉(zhuǎn)化、控制器組成的一般控制回路。其中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)比較常用。在現(xiàn)實(shí)生活中，工業(yè)控制線路采用常規(guī)控制回路占了90%以上。如果回路控制發(fā)生故障，那么整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)受到牽連，因?yàn)榛芈泛拖到y(tǒng)的多個(gè)線路都有聯(lián)系。系統(tǒng)的基礎(chǔ)閉環(huán)控制能夠很好地穩(wěn)定不良情況，但也會(huì)影響著故障的診斷和容錯(cuò)控制策略的進(jìn)一步實(shí)施。對(duì)故障進(jìn)行科學(xué)、有效診斷和主動(dòng)補(bǔ)充容錯(cuò)的工作檢查，利用自適應(yīng)閥值和加權(quán)移動(dòng)的平均殘差檢測方法，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)檢查。因?yàn)樵谡麄€(gè)系統(tǒng)之中不同性質(zhì)的故障具有不同特征，所以應(yīng)該采用不同的檢測方法進(jìn)行診斷。利用系統(tǒng)的模型預(yù)估值和系統(tǒng)的測量值之間的偏差之間安裝控制策略協(xié)調(diào)器，這一調(diào)節(jié)工具。如果系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)采用正常的控制策略，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，那么安裝的容錯(cuò)控制器就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，通過對(duì)故障的判斷，系統(tǒng)會(huì)把以前故障補(bǔ)償容錯(cuò)制器切換到現(xiàn)階段的控制，從而保證整個(gè)系統(tǒng)正常、高效運(yùn)行。

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)場儀表的主動(dòng)補(bǔ)償容錯(cuò)控制策略也越來越多。現(xiàn)階段，我們?cè)谘芯窟^程控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)情況基礎(chǔ)上，已經(jīng)建立了多種傳感器故障以及執(zhí)行器故障的合理表述形式，讓研究更加符合工業(yè)實(shí)際情況。因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)過程的控制目標(biāo)要求成本、能源消耗和環(huán)境效益等各項(xiàng)指標(biāo)都能夠符合要求，從而研究出能使工業(yè)生產(chǎn)綜合效益達(dá)到最大化的主動(dòng)容錯(cuò)控制策略。

參考文獻(xiàn)

[1]周東華，葉銀忠.現(xiàn)代故障診斷與容錯(cuò)控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.