多模型傳感器故障軟閉環容錯控制方法與應用策略

周菲

（江蘇省江都中等專業學校，江蘇 江都 225200）

多模型傳感器故障軟閉環容錯控制方法與應用策略

Tolerant control and application strategy of multi-model sensor fault soft closed loop

周菲

（江蘇省江都中等專業學校，江蘇 江都 225200）

隨著工業系統的復雜日漸增加，系統安全與可靠性的要求也越來越高。而現代工業系統中豐富的數據儲備與飛速發展的控制技術，提高了系統的安全性，也為系統的安全性提供了一定程度上保障。工業系統對為非線性，且傳感器容易發生故障，基于數據驅動技術，提出多模型與單模型的傳感器故障檢測，及軟閉環容錯控制方案，并對各類傳感器易發故障進行相應仿真及半實驗實體研究。

傳感器故障；軟閉環容錯控制；應用策略

0 引言

隨著現代科技發展及自動化水平提高，現代控制系統越來越復雜，數據運行過程中，需要大量傳感器做支撐，來保證系統能正常工作。但是，惡劣的環境，如高溫、潮濕、高壓、粉塵等。機器長時間在這種惡劣的環境下工作，很容易出現故障。

如果說故障出現在反饋系統中，所造成的影響就是已故障的傳感器傳來的反饋信號不會迅速傳播，這將導致系統性能下降，以致于機器無法正常工作。

1 多模型傳感器故障軟閉環容錯控制

容錯控制方案。在過去，人們通常會認為，對于一般的小故障，環閉系統具有機器自動抑制效果，因此人們常常對于這類事情的發生抱以忽略態度，或通過機器反饋，自我抑制。

但在實際操作中，傳感器如果出現故障，立刻就會蔓延到系統中，使原有設定好的系統無法正常運行。在此之前，面對傳感器故障問題，人們常用硬件冗余的方法來解決，保證系統正常工作，且具有安全性。但這種方法也存在不足，如成本高，在原有基礎上使系統的復雜性增加，工程操作比較困難。容錯的關鍵就在于，能夠快速、可靠的檢測出傳感器故障。

檢測方法主要分為兩個方面：基于原理機理模型的方法和基于數據驅動的方法。由于非線性系統建立機理模型較不容易，僅僅用單一模型監測所產生的殘差故障，容易產生誤差。

本文就非線性系統中的傳感器故障，提出一種基于數據驅動技術的多模型故障檢測與軟閉環容錯控制方案。

2 多模型傳感器故障檢測及軟閉環容錯控制研究

2.1 多模型建立

模型故障的檢測基礎，就在于模型的精確建立，多模型的數據驅動與判決機制也是其中的關鍵因素。現階段多采用單一模型進行故障檢測。

對實際系統中，僅用單一模型進行故障檢測，由于建筑存在誤差、外部干擾等不確定性因素，單一模型診斷信息不夠準確，而造成檢測結果實現軟閉環反饋不那么可靠。

如果采用多模型融合算法，在故障檢測的同時，利用多個預測模型與實際傳感器輸出，以構成多路殘差信號，增加故障檢測結果的準確性，提高系統的整體性能。

2.2 殘差故障檢測

多模型故障檢測機制在進行殘差信號進行傳感器故障檢測時，比較預測輸出與實際輸出，以獲取多路殘差信號，一般情況下是存在建模誤差和擾動等不確定因素的影響；當傳感器故障時，殘差值會發生變化，不再為零（殘差信號是一個零均值的白噪聲序列）。

2.3 反饋切換與軟閉環容錯控制

當傳感器發生故障，屏蔽故障傳感器的信號，利用軟傳感器預測輸出來替代實際傳感器輸出，以實現軟閉環反饋；等待故障解決后，恢復以實際傳感器輸出作為反饋信號，送至閉環控制系統。

所以說，為保證預測值獲取是高性能的、安全的，需要使用可靠且高精度的傳感器輸出。文中采用多路預測加權融合的方法（三路殘差信號中兩路或兩路以上），舉例說明，假設檢測到傳感器已發生故障的對應模型預測輸出 i（k），加權融合后作為軟閉環反饋信號。軟閉環反饋信號可表述為：

其中，N可以為2或3，表示有兩路或三路殘差信號越限； i（k）表示第i路已檢測出故障的對應系統模型預測出；ai表示第i種模型預測輸出對應的權系數，該系數可利用第二次函數優化確定。

3 結束語

在實際工業過程控制系統中，不同生產條件下模型結構或模型參數往往不同。對于一些比較復雜的系統，單一模型或多或少存在著自身的不足及一定的適用范圍，基于多模型的故障檢測及容錯控制思想具有更現實的可應用性。

因此，針對非線性系統中卡死、恒偏差、恒增益等常見傳感器故障，由于單一模型驅動非線性系統較難建立精確激勵模型等問題，相關專家人員研究出一種基于數據驅動的，多模型檢測傳感器故障、控制軟閉環容錯手段。

為確保故障檢測的可靠性，建立了多系統的多個非線性預測模型，由此與實際傳感器輸出產生多路殘差信號。當檢測傳感器發生故障時，利用系統多個模型的預測值，優化融合，為防止故障在閉環系統中蔓延，用多模型檢測系統替代物理傳感器的輸出，促進軟閉環的容錯控制系統的形成。

總而言之，多模型傳感器利用基于數據驅動技術的故障檢測，及較單一的軟件環容錯切換機制方法故障檢測可靠性更高，容錯性能更優，在確保實際工業控制系統在傳感器發生故障時仍可以安全、穩定的性能運行。

［1］ 李煒，張婧瑜. 多模型傳感器故障軟閉環容錯控制研究［J］.計算機應用研究，2015，02：447～450+460.

［2］ 張婧瑜. 多模型傳感器故障軟閉環容錯控制方法研究與應用［D］. 蘭州理工大學，2014.

［3］ 蔡翔. NCS中傳感器故障軟閉環智能控制方法研究［D］. 蘭州理工大學，2013.

TP212；TP273

1009-797X （2015） 18-0104-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.040

周菲（1983-），女，畢業于南京師范大學,研究方向為自動化。

2015-08-09