故障诊断和容错技术在控制系统中的应用研究

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1、故障诊断和容错技术在控制系统中的应用研究摘要介绍了控制系统的故障诊断和容错控制的基本概念和任务，评述了故障诊断和容错控制技术所用的各种方法，并对故障诊断和容错控制技术在核动力装置控制系统屮应用的可行性进行了探讨。关键词：故障诊断；容错控制；核动力装置；控制系统1.控制系统故障诊断和容错控制的概念和任务-1-1.1.故障诊断的概念和任务-1-1.2.容错控制的概念和任务-1-1.3.故障诊断和容错控制的关系-1-2.故障诊断和容错控制的方法-2-2.1.故障诊断技术2.1.1.基于数学模型的诊断方法-2-2.1.2.基于系统输入输出信号处理的方法-2-2.1.3.基于人工

2、智能的诊断方法-3-2.2.容错控制技术-3-2.2.1.基于硬件冗余方法-4-2.2.2.基于解析兀余方法-4-3.可行性应用研究-4-4.结束语-5-5.参考文献-6-容错控制是20世纪末期发展起来的一种提高控制系统可靠性的技术。容错控制系统设计主要包括故障诊断和容错控制系统的设计，这两个方面现都成为控制理论领域的研究热点。控制系统是由被控对象、控制器、传感器和执行器组成的复杂系统，其各个基本坏节都有可能发生故障，一般划分为3种类型：(1)被控对象故障对象的某一了设备不能完成原有的功能；(2)仪表故障包括传感器、执行器和计算机接I」的故障；⑶计算机软件故障包括计算机

3、诊断程序和控制算法程序的故障以及计算机硬件的故障。在许多工程应用中，必须具有高可靠性控制系统，特别是对于复杂的控制系统，往往包括几十个甚至几百个控制回路。因此，传统的参数报警和联锁保护系统已越来越不能满足现代化生产过程的需耍。在计算机控制系统中，计算机硬件和软件的可靠性已达到了较高水平，由于容错计算机技术已较成熟，而传感器和执行器的故障已成为导致控制系统失效的主耍原因。因此，研究控制系统屮主要环节的故障诊断和容错控制问题具有重耍意义。控制系统故障诊断和容错控制的概念和任务故障诊断的概念和任务通常情况下，故障诊断有两种涵义:一种是指对某些专用仪器的故障进行诊断；另一种是指

4、由计算机利用系统的解析冗余完成工况分析，对系统是否正常和什么原因引起故障、故障的程度有多大等问题进行分析、判断并得出诊断结论。故障诊断的任务包含故障建模，故障检测，故障的分离与估计，故障的分类、评价与决策4个方面。容错控制的概念和任务容错控制(fault-tolerancecontro1)的概念是1986年9刀正式提出的。容错的指导思、想是:一个控制系统迟早会发生故障，因此在设计控制系统时就应考虑会发生故障和这种故障可能会对系统的性能有很大的影响。容错控制系统就是具有兀余能力的控制系统，即在某些部件发生故障的情况下，系统仍能按原定性能指标或性能指标略有降低(但可接受)时

5、，成功地完成控制任务。故障诊断和容错控制的关系故障诊断是故障监测系统对控制系统屮的传感器、执行器和被控对象进行实时故障监测，得出控制系统的故障特征。容错控制则是容错控制器根据故障监测系统所得到的故障特征作出相应的处理。这种处理可能要对反馈控制的结构实时重构(rea-ltimereconfiguration),重构可能简单到只从已计算的表屮就可读出一组新的控制增益，也可能复杂到实时地再设计控制系统，以保证系统在故障状态下仍能获得良好的控制效果。由此可见，不论是故障诊断，还是容错控制，其目的都是为了提高系统的可靠性，因此控制系统故障诊断和容错控制是密切地联系在一起的。故障诊

6、断和容错控制的方法故障诊断技术故障诊断的常见方法，概括起来可分成3大类:(1)基于数学模型的方法；(2)基于系统输入输出信号处理的方法；(3)基于人工智能的方法。基于数学模型的诊断方法(1)参数估计诊断法当故障由参数形式来描述时，叮利用参数估计方法来描述故障信息，再根据参数变化的统计特性来判断故障是否发生。(2)状态估计诊断法当被控过程的状态直接反映系统运行状态时，可通过估计岀系统的状态，再结合适当模型来进行故障诊断。首先重构被控过程的状态，并构造出残差序列，残差序列中包含各种故障信息。此吋只有采用统计检验法，才能把故障从中检测出來，并作进一步分离、估计及决策。通常口J

7、用Luenberger观测器和Kalman滤波器进行状态估计。基于系统输入输出信号处理的方法(1)直接测量系统的输入输出法在正常情况下，被控过程的输入输出在正常范围内变化。当超出此范围时，可以认为故障已经发生或将要发生。另外，还可以通过测量输入输出的变化率是否满足要求來判別故障是否发生。(2)小波变换诊断法首先对系统的输入输出信号进行小波变换，求出输入输出信号的奇异点，然后去除由于输入突变引起的极值点，其余的极值点对应于系统的故障。这种方法不需要系统的数学模型，具有灵敏度高、克服噪声能力强的特点。(3)输出信号处理法系统的输出在幅值、相位