電子專用測試設(shè)備故障診斷中容錯控制系統(tǒng)

張小冰

（浙江東方職業(yè)技術(shù)學院信息傳媒與自動化學院，浙江溫州325000）

電子專用測試設(shè)備故障診斷系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容是測試設(shè)備故障控制單元設(shè)計[1]。在控制系統(tǒng)中，如果只是單純的加大各個測試元件系數(shù)，則不可能提高系統(tǒng)可靠性，且該做法還會增加成本。合理、經(jīng)濟配置其它元件、采用容錯控制系統(tǒng)，能夠針對某個故障位置進行診斷[2]。容錯控制系統(tǒng)的運用能夠提高整個故障診斷效果。傳統(tǒng)故障診斷存在故障診斷效果差、耗費時間長、容錯控制能力弱等問題，不能滿足專用測試設(shè)備的標準[3]。提出對電子專用測試設(shè)備故障診斷中容錯控制系統(tǒng)進行設(shè)計。采用故障之前診斷與故障之后診斷方法分析設(shè)備磨損容錯性質(zhì)，分析設(shè)備出現(xiàn)故障時系統(tǒng)的反饋機理，利用綜合冗余方法實現(xiàn)測試設(shè)備故障診斷容錯有效控制。由實驗結(jié)果可知，改進的故障診斷系統(tǒng)能夠延長設(shè)備使用壽命，提高運行安全性。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

為解決電子專用測試設(shè)備故障發(fā)生的問題及造成的后果，采用兩種方法進行診斷[4-5]：第一種是在故障發(fā)生之前，及時采取相應措施進行補償或者減小故障的影響；第二種是在故障發(fā)生之后，充分利用冗余資源來代替電子專用測試的故障設(shè)備，確保設(shè)備能夠正常運行[6]。故障診斷中容錯控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 故障診斷中容錯控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.1 測試設(shè)備故障檢測與診斷

電子專用測試設(shè)備故障診斷能夠及時發(fā)現(xiàn)測試的故障，根據(jù)故障診斷能夠確定故障類型、位置或者故障程度，并為容錯控制提供必要的信息支持[7]。故障檢測診斷的準確性和實效性能夠直接影響電子專用測試設(shè)備故障的容錯能力，目前主要采用數(shù)學模型對故障進行檢測與診斷[8]。

1.2 測試設(shè)備故障控制與處理

診斷設(shè)備故障后，需要對不同故障源和特點進行容錯處理，從而實現(xiàn)故障控制，如圖2所示。

圖2 設(shè)備磨損容錯控制

由圖2可知，根據(jù)設(shè)備性質(zhì)采用耐磨性較高的材料，刀架軌道則使用耐磨性較低的材料[9]。在檢測過程中，當?shù)都苘壍腊l(fā)生磨損的時候，h會發(fā)生改變。通過位移傳感器發(fā)出的指令，對絲桿和絲母的位移量進行彌補，實現(xiàn)設(shè)備磨損的容錯控制基本結(jié)構(gòu)。

2 基于Riccati型方程容錯控制

該系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

公式（1）中：W(t)為狀態(tài)變量；P(t)為控制向量；A、B、C、D為維數(shù)矩陣；{A、C} 是可觀測的。

Riccati型方程為：

其中：E≥0，R>0，R=Rt，E=VtV。

那么公式（2）中O具有以下性質(zhì)：

1）如果{A、B} 可固定，那么對{V、A}進行檢測的時候，O為唯一值且O≥0；

2）如果{A、B} 可固定，那么對{V、A}進行檢測的時候，O為唯一值且O>0；

3）如果下列公式中k≥0.5時：

在公式（3）中λ(°)表示矩陣任意的屬性值。

如果R{λ(A)}<0，那么方程（2）只有唯一解，且O≥0；如果{A、B} 可固定，并且rankQ=n，那么方程（2）只有唯一解O>0[9]。

根據(jù)上述方程應充分考慮二次型目標函數(shù)：

其中：a>0，那么Q和R應該滿足公式（2）中O的性質(zhì)，那么得到最優(yōu)狀態(tài)反饋的矩陣為：

式中O的Riccati型方程解為：

并且K≥0.5。

當系統(tǒng)狀態(tài)變量中傳感器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)的反饋機理如圖3所示。

圖3 反饋機理

系統(tǒng)狀態(tài)變量可以將直接測量到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖3中的M故障矩陣：

若系統(tǒng)中的傳感器完全失效，則M為0；若系統(tǒng)中的傳感器正常，沒有出現(xiàn)故障，則M為0。由此可將公式（6）轉(zhuǎn)換為：

針對初始值Q0和R0采用逐步迭代的方法確定Q和R的矩陣，在大范圍內(nèi)搜尋最佳值，根據(jù)反饋矩陣獲取的信息，使系統(tǒng)反饋控制能夠滿足不同測試設(shè)備故障模式，進而達到魯棒容錯控制的效果[12]。

3 故障容錯控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

針對故障容錯控制系統(tǒng)的實現(xiàn)可以采用綜合冗余的方法[10-12]。綜合冗余就是將不同冗余資源進行綜合運用，能夠有效地提高電子專用測試設(shè)備的故障自治能力。

使用可實現(xiàn)的冗余資源對系統(tǒng)的硬件與軟件進行設(shè)置。硬件冗余通過在測試設(shè)備關(guān)鍵位置引進多樣的部件，選用備用部件對故障位置進行消除；軟件冗余則是通過增加程序或者使用可將程序進行修改的控制容錯方法來實現(xiàn)。在針對同一故障信息源的時候，可以使用不同軟件進行識別與分析，經(jīng)表決對執(zhí)行結(jié)果進行決策，亦或通過修改容錯指令進行故障補償，將結(jié)構(gòu)重置提高設(shè)備故障容錯能力[13-14]。

通常情況下，硬件冗余量越大，該系統(tǒng)可靠性就越強，但存在弊端是其成本與體積會隨之增加。對于設(shè)備修復，可采用雙?；蛉Ｈ哂喾椒ǎ卉浖哂嗤ㄟ^軟件來實現(xiàn)。綜合冗余能夠提高測試設(shè)備的容錯能力，也能將冗余消耗殆盡[15-16]。在設(shè)備可靠情況下，最大程度控制資源的消耗，實現(xiàn)故障診斷容錯控制低資源消耗系統(tǒng)的設(shè)計。

4 實 驗

為了驗證電子專用測試設(shè)備故障診斷中容錯控制系統(tǒng)設(shè)計的有效性，進行了如下實驗。

4.1 參數(shù)設(shè)置

為了驗證改進系統(tǒng)容錯控制效果，將公式（1）中的維數(shù)矩陣A、B、C、D進行設(shè)置，如下所示：

其中正常的M0=diag{1，1}，故障1為M1=diag{1，0}，故障2為M2=diag{0，1}，故障 3 為 M3=diag{0，0} 。將M0、M1、M2、M3代入，獲得的矩陣為：

4.2 實驗結(jié)果與分析

獲取傳感器故障下閉環(huán)系統(tǒng)的極點分布，如表1所示。

表1 不同故障點的閉環(huán)系統(tǒng)極點分布

傳統(tǒng)系統(tǒng)中不考慮容錯控制結(jié)果如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)系統(tǒng)不考慮容錯控故障診斷結(jié)果

由圖4可知：傳統(tǒng)系統(tǒng)不考慮容錯控制情況下，當故障1發(fā)生的時候，傳感器出現(xiàn)故障，此時容錯控制能力大于正常值；當故障2發(fā)生的時候，轉(zhuǎn)矩傳感器發(fā)生故障，此時容錯控制能力小于正常值。

改進的電子專用測試設(shè)備故障診斷中容錯控制系統(tǒng)效果如圖5所示。

圖5 考慮容錯控故障診斷結(jié)果

由圖5可知：采用改進的容錯控制系統(tǒng)對電子專用測試設(shè)備故障診斷，當故障1發(fā)生的時候，傳感器出現(xiàn)故障，此時容錯控制能力大致等于正常值；當故障2發(fā)生的時候，轉(zhuǎn)矩傳感器發(fā)生故障，此時容錯控制能力也接近正常值。由此可知，相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，改進系統(tǒng)的故障診斷效果好、容錯控制力強等優(yōu)勢。

將傳統(tǒng)系統(tǒng)與改進的故障診斷容錯控制系統(tǒng)中設(shè)備的使用壽命進行對比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種系統(tǒng)設(shè)備使用壽命對比

由圖6可知：當故障位置為1的時候，經(jīng)過傳統(tǒng)系統(tǒng)檢測，該設(shè)備使用壽命僅為2個月，而經(jīng)過改進的容錯控制系統(tǒng)對故障檢測，該設(shè)備使用壽命為5個多月；而當故障位置為2的時候，經(jīng)過傳統(tǒng)系統(tǒng)檢測，設(shè)備使用壽命為3個月，而經(jīng)過改進的容錯控制系統(tǒng)對故障檢測，該設(shè)備使用壽命為7個月。

由此可知：傳統(tǒng)系統(tǒng)故障診斷不精確，很難將故障問題完全清除，導致設(shè)備使用壽命降低，而改進的容錯控制系統(tǒng)對電子專用測試設(shè)備故障診斷能夠?qū)⑷繂栴}清除，延長設(shè)備使用壽命。

4.3 實驗結(jié)論

傳統(tǒng)系統(tǒng)容錯控制力弱、故障診斷效果差，在系統(tǒng)性能方面遠遠不如改進的容錯控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)系統(tǒng)故障診斷不精確，很難將故障問題完全清除，使設(shè)備使用壽命降低，而采用改進的容錯控制系統(tǒng)對電子專用測試設(shè)備故障進行診斷，能夠?qū)⑷繂栴}清除，延長設(shè)備使用壽命。

5 結(jié)束語

對設(shè)備故障診斷容錯控制系統(tǒng)進行設(shè)計研究，是電力測試設(shè)備故障診斷的重要研究課題。根據(jù)故障檢測信息，利用容錯技術(shù)對故障設(shè)備進行控制，可有效提高設(shè)備運行的可靠性與安全性。改進系統(tǒng)不但具有自動檢測功能，還具有診斷、分析處理能力，可廣泛應用于航空、航天、石油等各種領(lǐng)域的重要設(shè)備當中，能夠產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。

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