您的当前位置:华林调节阀网>>调节阀论文>>历程与标准>>概述观测器的执行器故障诊断研究

概述观测器的执行器故障诊断研究

1概述

目前为了提高控制系统的可靠性和安全性,需要建立一个监控系统来监督整个控制系统的运行状态,不断监测系统的变化和故障信息。进而采取必要的措施,防止系统灾难性事故的发生,而其前提是监控系统必须具有在线监测和诊断故障的能力。执行器是自动控制系统信息输入装置中的敏感元件,其工作状态直接影响到系统的状态。研究如何利用一个状态观测器实现执行器故障诊断具有重要的意义。

2 状态观测器的故障诊断设计原理

基于观测器的故障诊断方法的基本思想:设计系统的观测器(即检测滤波器),然后根据滤波器的输出与实际系统的输出比较,产生残差,再对残差进行分析、处理,以实现故障诊断,下面给出其具体设计原理。控制系统及其检测滤波器结构如图1所示。

图1 控制系统与检测滤波器

图1中所示的控制系统可以表示:

式中 

x(t)———n×1维的状态变量;
u(t)———r×1维控制矢量;
y(t)———m×1维的测量矢量;
A,B,C———相应维数的常数矩阵。

检测滤波器包含一个正常工作条件下的系统动态模型,模型的输入与真实系统的输入相同。系统传感器输出与模型输出之间的差值信号经增益矩阵H反馈到模型输入。

通过选择H,使矩阵(A-HC)的特征值具有负实数部分。若滤波器是稳定的,则在正常工作条件下,滤波器任何初始误差都会渐渐消除,滤波器将准确地跟踪系统的响应,输出误差Δ(t)将保持为零。当系统中某一传感器或执行器发生故障时,滤波器的模型将不能正确地反映发生故障后的系统特性,输出误差将不为零,对输出误差进行观测就可以确定是否有故障发生。图1中的故障检测滤波器可以表示:

定义状态误差(残差):

测量误差:

则状态误差方程:

输出误差方程:

状态反馈控制需要用到系统的状态向量。由于状态作为系统内部变量,实际现场不能全部直接测量,需要采用状态观测器进行状态重构。状态重构的实质是对给定确定性线性时不变被观测系统Σ,构造与Σ具有相同属性的一个系统即线性时不变系统Σ0,用Σ中可直接测量的输出y和输入u作为Σ0的输入。并使Σ0状态^x或其变换在某种指标下等价于Σ的状态x。等价指标的要求通常取为渐进等价,即

称状态为被观测系统Σ状态x的重构状态,所构造系统为被观测系统Σ的状态观测器。

3 执行器故障模型分析

考虑线性、定常的控制系统:

在这里仅考虑一个执行器故障的情况。常见的执行器故障行为有卡死、恒增益变化、恒偏差3种,下面分别描述其故障发生时的模型。

a)执行器卡死。

第i个执行器卡死的故障模式可以描述:

实际控制系统中执行器的输出有一个限制范围,即:

若超出这个范围,则执行器的输出值不再变化,有:

b)执行器恒增益变化。

执行器恒增益变化的故障模式可以描述:

式中 a———恒增益变化的比例悉数。

c)执行器恒偏差失效。

执行器恒偏差变化的故障模式可以描述:

上述执行器的3种故障行为,将影响系统的动态行为,执行器的3种故障行为可以表示:

式中 

fi———执行器的故障矢量,fi∈Rp
n(t)———故障的函数,对于上述3种执行器故障,n(t)将以不同的函数形式给出。

4 仿真研究

某二阶控制系统传递函数方框图如图2所示。

图2 过程控制系统传递函数

被控对象状态空间方程:

由传递函数可以求得系数A,B,C。观测器极点特征值配置:[-20+3i,-15-10i]。

设计状态观测器时,通过选择增益矩阵H,使矩阵(A-HC)的特征值具有负实数部分,保证观测器是稳定的。由于设计观测器的问题等价于求HT,使矩阵(AT - CT HT)的特征值具有事先给定的(在左半平面的)极点。由参考文献[1]得出所求矩阵:

H=[4.2657-6.4300]’

由以上参数在simulink下得出仿真图形如图3所示。

图3 观测器在3种变化时的仿真输出

由以上仿真可以看出,利用观测器对执行器进行故障诊断能够达到识别故障的效果,但是此方法需要建立其数学模型,对于大型系统运算比较复杂。

5 结束语

基于状态观测器故障诊断的原理,分析了其数学表达形式。在该模型基础上进行了状态观测器的设计,使它满足状态重构和故障诊断的需要,根据控制系统的特点,设计了PID控制器。同时用基于模型的故障诊断方法进行了执行器3种典型故障模型的诊断,仿真表明这种设计能够实现执行器故障诊断的功能,简化了系统设计。

参考文献:

[1] 王翼.现代控制理论.北京:机械工业出版社,2005.87~89
[2] 闻新,张洪钱,周露.控制系统的故障诊断和容错控制.北京:机械工业出版社,1998
[3] 王德军.故障诊断与容错控制方法的研究:〔学位论文〕.吉林:吉林大学硕士学位论文,2004