機電控制系統(tǒng)故障診斷問題研究

1、機電控制系統(tǒng)故障診斷問題研究【摘要】 加強機電控制系統(tǒng)故障診斷問題的研究是非常有實際意義的工作。筆者結(jié)合多年來的工作經(jīng)驗，就機電控制系統(tǒng)故障診斷問題進行了研究，具有一定的參考意義。 【關(guān)鍵詞】 機電控制系統(tǒng) 故障診斷 變頻器 中圖分類號：TM921.5文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 【引言】 隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技水平的不斷進步，現(xiàn)代機電設(shè)備的功能越來越完善，自動化程度越來越高，但結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，維護修理費用也在不斷上升，維修人員不足、手段落后與需要維護區(qū)域廣泛、種類繁多的矛盾日益突顯，因此加強機電控制系統(tǒng)故障診斷問題的研究非常具有實際意義。 機電控制系統(tǒng)的分類 機電控制系統(tǒng)分類的原則性非常強，根

2、據(jù)不同原則可分出不同機電控制系統(tǒng)。按照輸出量分類：機電控制系統(tǒng)可以依據(jù)系統(tǒng)輸出量的反饋分為開環(huán)式和閉環(huán)式兩種機電控制系統(tǒng)，開環(huán)式機電控制系統(tǒng)是利用電機的轉(zhuǎn)角和脈沖連保證精準度，所以精度比較低；閉環(huán)式機電控制系統(tǒng)要比開環(huán)式的構(gòu)成復(fù)雜，而且精度高；對于系統(tǒng)的控制被外界造成的誤差，與開環(huán)式機電控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)式具備修正的能力。 按照控制信號的變量形式分類：機電控制系統(tǒng)按照控制器的方式不同可以分成模擬式和數(shù)字式。模擬式構(gòu)造比較簡單，而且實時性能很好，但是對于比較復(fù)雜的控制監(jiān)督，模擬機電控系統(tǒng)目前還是實現(xiàn)不了；數(shù)字式和閉環(huán)式一樣有著高精度的保證，相比較模擬式，它的靈活性能更強，對于監(jiān)督系統(tǒng)異常狀態(tài)的處

3、理功能強；按照系統(tǒng)輸入信號的變化規(guī)律可以分為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)三種。自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)也是定值控制系統(tǒng)，他控制的范圍是系統(tǒng)的基本任務(wù)；隨動控制系統(tǒng)可以精度復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的輸入信號，這是隨動控制系統(tǒng)的特點；如果有兩個或者兩個以上同時執(zhí)行任務(wù)的系統(tǒng)機構(gòu)，程序控制系統(tǒng)可以執(zhí)行指揮每個環(huán)節(jié)的控制信號，使各部動作的執(zhí)行依次有序。 機電控制系統(tǒng)故障類型 機電控制系統(tǒng)故障的產(chǎn)生和表現(xiàn)形式都有很大的差別，因為機電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件是不同的。機電控制系統(tǒng)比較常見的故障類型主要有以下三種： 硬件邏輯故障：硬件邏輯故障又可細致的分為永久性故障、間發(fā)性故障以及邊緣性故障三種。永久性故障又稱為硬故障，就是指

4、不可恢復(fù)的故障。其表現(xiàn)的形式是給定輸入，就會出現(xiàn)重復(fù)性的錯誤響應(yīng)。比如芯片或者器件內(nèi)部無法修復(fù)，或者是開路和短路，這都屬于永久性邏輯故障范疇；間發(fā)性故障又稱為軟故障，帶有一定隨機性和偶發(fā)性，最后也有可能轉(zhuǎn)變成永久性故障。造成間發(fā)性故障的原因是因為計時有偏差或者是外部電器噪音等等，如果器件性能達不到設(shè)計要求也比較容易造成這種軟故障；邊緣性故障也會逐步變化成為硬故障，它是元器件老化影響邊界值發(fā)生的一種故障，所以沒有固定的邏輯值，比如時鐘的前沿等一些指標(biāo)的下降，或者是電源不穩(wěn)定致使寄存器信息的丟失等都是邊緣性故障中比較常見的故障。 軟體故障：軟體故障分為系統(tǒng)軟件故障和應(yīng)用軟件故障。系統(tǒng)故障的原因是由

5、設(shè)計原因引起的，在系統(tǒng)的設(shè)計階段對設(shè)計目標(biāo)的構(gòu)思和系統(tǒng)功能的了解不夠，在運行以后比較容易出現(xiàn)這種故障。因此對于軟件的設(shè)計一定要有一個精準的計劃和方案以此來提高系統(tǒng)軟件的可靠性；應(yīng)用軟件故障主要是由于輸入錯誤而引發(fā)的，這種故障也有一定的隨機性和偶然性。一般是在編寫程序或者輸入過程中產(chǎn)生的人為錯誤，所以要在輸入時嚴格把守，增加一些應(yīng)用軟件的檢測功能，是軟件可以自動進行測試。這樣才是抑制故障發(fā)生的途徑。 干擾故障：常見干擾故障分為內(nèi)部干擾和外部干擾。內(nèi)部干擾就是由系統(tǒng)工藝、結(jié)構(gòu)、線路設(shè)計、電源以及底線處理不當(dāng)引發(fā)的故障，也可能是器件的性能變化引起的，內(nèi)部干擾帶有很強的隨機性和偶發(fā)性。外部干擾就是指外

6、部裝置串?dāng)_到內(nèi)部裝置的各種形式的干擾。比如一些閃電或者雷擊等自然想象造成的干擾，或者是工業(yè)和用電造成的人為干擾。 機電系統(tǒng)的控制故障除了系統(tǒng)方面的，還包括機械部件和檢測裝置等引發(fā)的故障。比如在機構(gòu)運行中，某些系統(tǒng)的齒輪被卡、電機斷相運行或者監(jiān)測裝置失靈等一些故障，這些與上述控制系統(tǒng)的故障相比較，可觀測性和可控性是比較容易查找和定位的。 機電控制系統(tǒng)故障診斷 故障診治系統(tǒng)是一門新的學(xué)科，是提高機電系統(tǒng)綜合性的技術(shù)。從理論上講，無論故障的表現(xiàn)形式如何的錯綜復(fù)雜，都可以通過診斷技術(shù)以故障信號為依據(jù)，對各種故障進行分析和修復(fù)。 診斷技術(shù)內(nèi)容 診斷就是將標(biāo)準數(shù)據(jù)與測試的診斷結(jié)果相比較，然后確定故障的種類

7、和位置。在出現(xiàn)故障時，要迅速確定故障的位置和種類，評估出故障發(fā)生的原因，以便采取相應(yīng)的措施。要根據(jù)故障的嚴重程度和類別來決定修復(fù)和補救的策略：在故障沒有發(fā)生的時候，要對故障進行假設(shè)性的檢測，比如故障會使輸出變量、狀態(tài)變量、殘差變量，而且要觀測模型參數(shù)、物理參數(shù)等是否存在變化的可能性，這是所有故障診斷方式都可以使假設(shè)診斷的條件。 故障診斷測試 故障診斷的測試通常有兩種測試： 故障監(jiān)測：是指在故障發(fā)生之前，診斷對象還處在一個工作的狀態(tài)，這是一種在線測試，是為了預(yù)測故障或及時發(fā)現(xiàn)故障而進行的一種測試，這種情況稱為故障監(jiān)測。 實驗性測試：是指在故障出現(xiàn)之后，為了可以迅速確定故障的種類和位置，對診斷對象

8、進行的一種測試，在測試的時候，診斷對象必須停止工作，這種情況稱為診斷測試。 發(fā)展趨勢 現(xiàn)代故障診斷的發(fā)展方向是與容錯控制、冗余控制、監(jiān)控控制和余度管理等可靠性系統(tǒng)設(shè)計相結(jié)合的，是實現(xiàn)主動維修策略、監(jiān)測控制、容錯控制、自治控制、可信性系統(tǒng)等設(shè)計中的一個關(guān)鍵。 解析余度管理 現(xiàn)代余度管理從硬件余度向綜合余度和解析余度管理發(fā)展。20世紀70年代，隨著計算機技術(shù)及其計算能力、可靠性的提高，現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展，出現(xiàn)了以分析冗余取代物理（硬件）冗余的余度可靠性設(shè)計和余度管理思想。分析余度方式是利用狀態(tài)估計、參數(shù)估計、自適應(yīng)漣波、變量間值邏輯、統(tǒng)計決策理論和綜合邏輯的信號處理技術(shù)，可以在電子電路或計算

9、機上實現(xiàn)。目前實施的余度管理方式還是綜合方式，即包括硬件余度和解析余度。發(fā)展方向是分析余度。 可信性系統(tǒng)設(shè)計 由于現(xiàn)代機電自動化及控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大、復(fù)雜性日益提高以及系統(tǒng)投資的巨大，人們迫切需要提高機電自動化及控制系統(tǒng)的可信性。因而有必要建立一個監(jiān)控系統(tǒng)來監(jiān)督整個自動化系統(tǒng)的運行狀態(tài)，不斷檢測系統(tǒng)的變化和故障信息，進而采取必要的措施來防止故障的傳播和災(zāi)難性事故的發(fā)生。而其前提條件是具有在線實時可靠檢測和診斷故障的能力。因此，故障診斷是實現(xiàn)可信性系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？尚判韵到y(tǒng)指集可靠性、有效性、可維修性和安全性為一體的系統(tǒng)。提高系統(tǒng)可信性的方法，即設(shè)計可信性系統(tǒng)的方法:(l）提高元部件本身

10、的可靠性(2）采用余度系統(tǒng)（部件），如硬件、軟件和復(fù)合冗余結(jié)構(gòu)；(3）采用基于FDIA 的容錯和監(jiān)控等控制系統(tǒng)。 魯棒故障診斷 故障診斷的魯棒性是所有故障診斷理論、方法和系統(tǒng)所面臨的重要問題。魯棒故障診斷（RFD）概念首次在基于模型的故障診斷方法中提出。日前能查到的魯棒故障診斷研究都是基于控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的。特別需指出的是在整個機械系統(tǒng)中，包括液壓系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)，還沒有見到魯棒故障診斷的研究報道?？偟膩碚f，RFD還是一新研究方向，是解決故降診斷實際應(yīng)用的有效途徑，是提高故降診斷系統(tǒng)性能指標(biāo)的有效方式，同時將產(chǎn)生新穎有效的故降診斷理論和方法。 綜上所述，要減少機電控制系統(tǒng)的故障，就要提高機電控制系統(tǒng)可靠性的保證，要在故障發(fā)生之前徹底消除，或者是降低故障的發(fā)生概率。不可避免的情況下，就要用診斷的技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)故障的位置和類型，以縮短修理的時間和提高系統(tǒng)的有