一種改進(jìn)的基于主動(dòng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速濾波算法

唐甜　趙剛

摘 要：本文介紹了一種改進(jìn)的基于主動(dòng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)的滑動(dòng)平均濾波算法。通過故障檢測(cè)的結(jié)果在線修改轉(zhuǎn)速濾波的窗口，減小奇異數(shù)據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)速濾波結(jié)果的影響。仿真結(jié)果表明該算法能夠有效的剔除奇異點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)速濾波結(jié)果的影響。本理論和實(shí)踐對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制工程應(yīng)用有實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：濾波；主動(dòng)容錯(cuò)；滑動(dòng)平均濾波

中圖分類號(hào)：TP312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

現(xiàn)代科技的日新月異已經(jīng)使生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性、安全性和準(zhǔn)確性提出了越來越高的要求，故障檢測(cè)[ 1 ]和容錯(cuò)控制就是在這種背景下被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在控制領(lǐng)域，故障診斷的目的在于及時(shí)檢測(cè)并識(shí)別故障[ 2 ]，而容錯(cuò)控制的目的在于通過控制器的調(diào)節(jié)使得故障系統(tǒng)仍能保持滿意的性能或者至少達(dá)到可以接受的性能指標(biāo)。

1 容錯(cuò)技術(shù)

容錯(cuò)控制[ 3 ]的根本特征為“當(dāng)控制系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)依然能夠維持其自身運(yùn)行在安全狀態(tài)，并盡可能地滿足一定的性能指標(biāo)要求”，有兩種方法分為被動(dòng)容錯(cuò)控制和主動(dòng)容錯(cuò)控制。被動(dòng)容錯(cuò)控制采用固定的控制器來確保閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)特定的故障不敏感，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。而主動(dòng)容錯(cuò)控制是在故障發(fā)生后，根據(jù)所期望的特性重新設(shè)計(jì)一個(gè)控制策略，使整個(gè)故障系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。主動(dòng)容錯(cuò)控制[ 4 ]相比于被動(dòng)容錯(cuò)控制，更具設(shè)計(jì)彈性且更有應(yīng)用價(jià)值。

2 基于主動(dòng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)的濾波算法

和傳統(tǒng)的濾波算法不同，本文擬提出一種改進(jìn)的基于主動(dòng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速滑動(dòng)平均濾波算法。通過故障診斷機(jī)構(gòu)的結(jié)果對(duì)傳統(tǒng)的濾波算法進(jìn)行容錯(cuò)設(shè)計(jì)，在線修改濾波算法，在轉(zhuǎn)速傳感器采集值出現(xiàn)跳變或兩路轉(zhuǎn)速采集值偏差超過了某一數(shù)值時(shí)，濾波后的轉(zhuǎn)速能夠平滑過渡而不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制性能造成較大的影響。

控制系統(tǒng)通過輸入信號(hào)將采集值傳遞給故障檢測(cè)模塊，故障檢測(cè)得到對(duì)應(yīng)的故障碼后進(jìn)入容錯(cuò)處理模塊，處理完畢的信號(hào)又重新傳遞回控制系統(tǒng)進(jìn)行燃油流量、防喘閥調(diào)節(jié)等閉環(huán)控制。模塊間相關(guān)關(guān)聯(lián)圖見圖1。

傳統(tǒng)的滑動(dòng)平均濾波算法，是指在每個(gè)采樣周期內(nèi)只采樣一次，將這一次的采樣值和過去N次采樣值一起求平均值作為本次的濾波結(jié)果。本文提及的基于主動(dòng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)的滑動(dòng)平均濾波算法，是將故障檢測(cè)的結(jié)果作為影響本周期采樣值的參考條件，當(dāng)故障檢測(cè)模塊檢測(cè)到有故障發(fā)生時(shí)，當(dāng)前周期的采樣值將不再放入滑動(dòng)平均濾波算法中進(jìn)行計(jì)算，而是對(duì)過去n-1次的采樣值求取平均值作為當(dāng)前周期的濾波結(jié)果，主動(dòng)忽略當(dāng)前采樣周期的采集數(shù)據(jù)，以此類推，直至N+1次采集周期的采集值均無效后，則將濾波結(jié)果設(shè)置為安全值。

假設(shè)當(dāng)前轉(zhuǎn)速傳感器的采集值為SPDSample，轉(zhuǎn)速傳感器待濾波數(shù)組為SPDF[x]，轉(zhuǎn)速傳感器濾波有效狀態(tài)數(shù)組為SPDFlag[x]，最終的濾波結(jié)果為SPDFliter，濾波次數(shù)設(shè)置為4，當(dāng)故障檢測(cè)模塊未檢測(cè)出故障時(shí)，濾波結(jié)果的SPD_FILTER的計(jì)算方法見公式1：

1）

當(dāng)某一采集周期內(nèi)故障檢測(cè)模塊檢測(cè)出故障時(shí)，濾波結(jié)果的SPD_FILTER的計(jì)算方法見公式2：

轉(zhuǎn)速傳感器的采集值的正確與否則根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器的特性分為以下幾種檢測(cè)方式：

A.本采集周期轉(zhuǎn)速傳感器是否開路；

B.本采集周期內(nèi)轉(zhuǎn)速傳感器是否短路；

C.本采集周期內(nèi)的轉(zhuǎn)速傳感器采集值是否超過了上界；

D.本采集周期內(nèi)的轉(zhuǎn)速傳感器采集值是否低于了下界；

E.本采集周期內(nèi)轉(zhuǎn)速傳感器的采集值和上一采集周期內(nèi)的采集值是否在有效的范圍內(nèi)；

F.本采集周期內(nèi)兩路轉(zhuǎn)速傳感器的采集值是否在有效的范圍內(nèi)。

通過以上的檢測(cè)方式確認(rèn)當(dāng)前通道或是當(dāng)前采集周期內(nèi)的轉(zhuǎn)速傳感器采集值是否合理并有效。

3 結(jié)束語

本文介紹的算法主要包括故障診斷和容錯(cuò)控制兩個(gè)部分，故障診斷技術(shù)為容錯(cuò)控制的研究提供了必要的基礎(chǔ)和前提，容錯(cuò)控制為故障診斷的研究注入了新的活力。該算法是一種改進(jìn)的基于主動(dòng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)的滑動(dòng)平均濾波算法，對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速濾波算法進(jìn)行了修改，即通過故障檢測(cè)的結(jié)果修改當(dāng)前采集周期的轉(zhuǎn)速傳感器待濾波數(shù)組和轉(zhuǎn)速傳感器濾波有效狀態(tài)數(shù)組，在線修改濾波窗口，從而達(dá)到主動(dòng)容錯(cuò)控制的功能。改進(jìn)后的濾波算法開環(huán)在線仿真或不再受個(gè)別奇異點(diǎn)的影響，能夠有效的剔除奇異點(diǎn)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)轉(zhuǎn)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王永強(qiáng)，葉昊，王桂增.網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)故障檢測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展.控制理論與應(yīng)用[J].2009年4月第26卷第4期：400-409.

[2] 何靜，邱靜，張昌凡等.非線性系統(tǒng)的集成故障診斷和容錯(cuò)控制.機(jī)械工程學(xué)報(bào)[J].2009年5月第45卷第5期：70-78.

[3] 王敏，臧曙，周東華.非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制.計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化[J].2004年12月第23卷第4期：7-10.

[4] 毛海杰，李煒，馮小林.非線性系統(tǒng)主動(dòng)容錯(cuò)控制綜述.傳感器與微系統(tǒng).2014年第33卷第4期：6-13.