現(xiàn)場儀表的主動補償容錯控制策略研究

摘 要：該文講述了現(xiàn)場儀表控制系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的故障，詳細分析了傳感器與執(zhí)行器產(chǎn)生故障的原因，在此基礎上，給出了主動補償容錯的控制策略。

關鍵詞：現(xiàn)場儀表 補償容錯 策略研究

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（b）-0005-01

常規(guī)的控制回路是建立在一般的過程控制系統(tǒng)上的。回路之間相互配合，如果當中有一個部位出現(xiàn)問題，那么整個控制回路的作用就都會受到牽連，最嚴重的就是導致真?zhèn)€系統(tǒng)面臨癱瘓。根據(jù)這個原理，科學、快速解決控制回路中出現(xiàn)的問題，可以保證整個控制系統(tǒng)的高效運行。但是對于連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)來說，系統(tǒng)設備的維護和更換在一定程度上會影響到生產(chǎn)的進程，所以，根據(jù)主動補償容錯控制的思想對整個系統(tǒng)進行主動的容錯控制，從而保證整個系統(tǒng)正常工作。

1 傳感器出現(xiàn)故障描述

在現(xiàn)場實際的工業(yè)過程中，傳感器由于外界環(huán)境的影響和自身的特點，會出現(xiàn)很多不一樣的故障。例如：漂移故障、誤差故障、精度不準確故障和完全故障。前三種故障出現(xiàn)故障的現(xiàn)象不明顯，也而被成為軟故障，很難被檢測出來，這使得它們的破壞程度比完全故障——硬故障要嚴重。

傳感器的控制屬于多條線路輸入、輸出的非線性動態(tài)控制，其發(fā)生故障模型為：

x=f（x，u）+η（t-T）

y（t）=g（x，u）+（t）+B（t-T）F（x，u，t）

這上面公式中，x∈Rm，狀態(tài)矢量；u∈Rm，輸入矢量；f（x，u）屬于系統(tǒng)的非線性模型；模型的不確定性由η（x，u）表示[1]。

2 執(zhí)行器出現(xiàn)故障描述

整個系統(tǒng)控制回路的末端就是執(zhí)行器。執(zhí)行器對于整個控制系統(tǒng)的良好運行發(fā)揮著重要的作用。在工業(yè)工程中比較常見的執(zhí)行器就是閥門。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，一旦閥門出現(xiàn)故障或者操作方法不正確，就會導致工業(yè)生產(chǎn)不能正常進行，達到一定嚴重程度就會發(fā)生意外事故。與此同時，在控制系統(tǒng)中，許多關鍵部門的閥門不但價格昂貴，更換也很不方便，所以對閥門的故障分析就顯得非常重要。

2.1 閥門控制原理

執(zhí)行部門、閥門定位器、調節(jié)機構這三個部門組成了閥門。控制器的輸出信號通過執(zhí)行結構從展板成為控制閥門的推理，從而進一步完成了從推理向角位移信號的轉變；位移信號通過調解機構對流通面積產(chǎn)生影響，進一步改變流體流量，從而改變流體流量。控制系統(tǒng)的作用通過閥門的定位器部分實現(xiàn)改善。定位器和閥桿位移量形成了控制系統(tǒng)的另一條回路控制，達到對摩擦力很好的克服作用。充分利用閥門的定位器和被控制的變量形成串級控制[2]。

2.2 閥門常見故障

根據(jù)閥門的機構可以把故障進行合理分類，分為一般外部故障、調節(jié)機構故障以及定位器故障等。例如：當整個系統(tǒng)的壓力供給降低時，就會造成閥門的突變故障；當閥桿的活動范圍超越正常閥桿的范圍時，就會堵塞閥門，從而讓閥門出現(xiàn)衰減故障。（如表1）

注：Hf表示閥桿移動范圍；H0表示正常閥桿移動范圍；fs表示故障強度；F0表示正常時閥的輸出流量；Ff表示故障時閥的輸出流量；Dbf表示故障時滯后環(huán)度；Xf表示故障時閥桿移動距離；Kwf表示故障時閥流量系數(shù)；Tlf表示故障時載體溫度；Tl0表示正常載體溫度；Kw0表示正常時閥流量系數(shù)[3]。

3 主動補償容錯控制策略

在復雜的控制系統(tǒng)中，負反饋和控制回路的交合會造成整個控制系統(tǒng)回路的故障擴大化，因此故障不會帶來控制系統(tǒng)較大變化，根據(jù)這個原理，對閉環(huán)控制系統(tǒng)的在線故障調節(jié)很難實現(xiàn)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的故障很多可以預見，或者是一些故障經(jīng)常發(fā)生。把全部故障根據(jù)故障特征建立相應的故障模型，通過科學、合理的主動補償容錯控制，處理以后存儲在容錯控制庫里面。系統(tǒng)能夠根據(jù)故障模塊對工作進行診斷，判定出故障的位置，進一步采取措施隔離故障措施。所以，在工業(yè)現(xiàn)場，儀表儀器的主動容錯控制得到了廣泛的應用。由此推理，首先進行故障檢測，找到控制容錯方法，根據(jù)現(xiàn)場實際情況決定采用系統(tǒng)基礎閉環(huán)控制或者是人機跟進監(jiān)督管理等方法[4]。

系統(tǒng)基礎閉環(huán)控制層是由傳感器、執(zhí)行器和信號轉化、控制器組成的一般控制回路。其中計算機控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)比較常用。在現(xiàn)實生活中，工業(yè)控制線路采用常規(guī)控制回路占了90%以上。如果回路控制發(fā)生故障，那么整個系統(tǒng)都會受到牽連，因為回路和系統(tǒng)的多個線路都有聯(lián)系。系統(tǒng)的基礎閉環(huán)控制能夠很好地穩(wěn)定不良情況，但也會影響著故障的診斷和容錯控制策略的進一步實施。對故障進行科學、有效診斷和主動補充容錯的工作檢查，利用自適應閥值和加權移動的平均殘差檢測方法，對整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行認真仔細檢查。因為在整個系統(tǒng)之中不同性質的故障具有不同特征，所以應該采用不同的檢測方法進行診斷。利用系統(tǒng)的模型預估值和系統(tǒng)的測量值之間的偏差之間安裝控制策略協(xié)調器，這一調節(jié)工具。如果系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)就會自動采用正常的控制策略，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，那么安裝的容錯控制器就會自動啟動，通過對故障的判斷，系統(tǒng)會把以前故障補償容錯制器切換到現(xiàn)階段的控制，從而保證整個系統(tǒng)正常、高效運行。

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)場儀表的主動補償容錯控制策略也越來越多。現(xiàn)階段，我們在研究過程控制系統(tǒng)的主要特點和現(xiàn)實情況基礎上，已經(jīng)建立了多種傳感器故障以及執(zhí)行器故障的合理表述形式，讓研究更加符合工業(yè)實際情況。因為工業(yè)生產(chǎn)過程的控制目標要求成本、能源消耗和環(huán)境效益等各項指標都能夠符合要求，從而研究出能使工業(yè)生產(chǎn)綜合效益達到最大化的主動容錯控制策略。

參考文獻

[1]周東華，葉銀忠.現(xiàn)代故障診斷與容錯控制[M].北京：清華大學出版社，2011.