一種改進的基于主動容錯設計的轉速濾波算法

唐甜　趙剛

摘 要：本文介紹了一種改進的基于主動容錯設計的滑動平均濾波算法。通過故障檢測的結果在線修改轉速濾波的窗口，減小奇異數據對轉速濾波結果的影響。仿真結果表明該算法能夠有效的剔除奇異點對轉速濾波結果的影響。本理論和實踐對發動機控制工程應用有實用價值。

關鍵詞：濾波；主動容錯；滑動平均濾波

中圖分類號：TP312 文獻標識碼：B

現代科技的日新月異已經使生產實踐對控制系統的可靠性、安全性和準確性提出了越來越高的要求，故障檢測[ 1 ]和容錯控制就是在這種背景下被廣泛應用于各個領域。在控制領域，故障診斷的目的在于及時檢測并識別故障[ 2 ]，而容錯控制的目的在于通過控制器的調節使得故障系統仍能保持滿意的性能或者至少達到可以接受的性能指標。

1 容錯技術

容錯控制[ 3 ]的根本特征為“當控制系統中發生故障時，系統依然能夠維持其自身運行在安全狀態，并盡可能地滿足一定的性能指標要求”，有兩種方法分為被動容錯控制和主動容錯控制。被動容錯控制采用固定的控制器來確保閉環系統對特定的故障不敏感，保持系統的穩定。而主動容錯控制是在故障發生后，根據所期望的特性重新設計一個控制策略，使整個故障系統達到穩定。主動容錯控制[ 4 ]相比于被動容錯控制，更具設計彈性且更有應用價值。

2 基于主動容錯設計的濾波算法

和傳統的濾波算法不同，本文擬提出一種改進的基于主動容錯設計的發動機轉速滑動平均濾波算法。通過故障診斷機構的結果對傳統的濾波算法進行容錯設計，在線修改濾波算法，在轉速傳感器采集值出現跳變或兩路轉速采集值偏差超過了某一數值時，濾波后的轉速能夠平滑過渡而不對發動機轉速控制性能造成較大的影響。

控制系統通過輸入信號將采集值傳遞給故障檢測模塊，故障檢測得到對應的故障碼后進入容錯處理模塊，處理完畢的信號又重新傳遞回控制系統進行燃油流量、防喘閥調節等閉環控制。模塊間相關關聯圖見圖1。

傳統的滑動平均濾波算法，是指在每個采樣周期內只采樣一次，將這一次的采樣值和過去N次采樣值一起求平均值作為本次的濾波結果。本文提及的基于主動容錯設計的滑動平均濾波算法，是將故障檢測的結果作為影響本周期采樣值的參考條件，當故障檢測模塊檢測到有故障發生時，當前周期的采樣值將不再放入滑動平均濾波算法中進行計算，而是對過去n-1次的采樣值求取平均值作為當前周期的濾波結果，主動忽略當前采樣周期的采集數據，以此類推，直至N+1次采集周期的采集值均無效后，則將濾波結果設置為安全值。

假設當前轉速傳感器的采集值為SPDSample，轉速傳感器待濾波數組為SPDF[x]，轉速傳感器濾波有效狀態數組為SPDFlag[x]，最終的濾波結果為SPDFliter，濾波次數設置為4，當故障檢測模塊未檢測出故障時，濾波結果的SPD_FILTER的計算方法見公式1：

1）

當某一采集周期內故障檢測模塊檢測出故障時，濾波結果的SPD_FILTER的計算方法見公式2：

轉速傳感器的采集值的正確與否則根據轉速傳感器的特性分為以下幾種檢測方式：

A.本采集周期轉速傳感器是否開路；

B.本采集周期內轉速傳感器是否短路；

C.本采集周期內的轉速傳感器采集值是否超過了上界；

D.本采集周期內的轉速傳感器采集值是否低于了下界；

E.本采集周期內轉速傳感器的采集值和上一采集周期內的采集值是否在有效的范圍內；

F.本采集周期內兩路轉速傳感器的采集值是否在有效的范圍內。

通過以上的檢測方式確認當前通道或是當前采集周期內的轉速傳感器采集值是否合理并有效。

3 結束語

本文介紹的算法主要包括故障診斷和容錯控制兩個部分，故障診斷技術為容錯控制的研究提供了必要的基礎和前提，容錯控制為故障診斷的研究注入了新的活力。該算法是一種改進的基于主動容錯設計的滑動平均濾波算法，對傳統轉速濾波算法進行了修改，即通過故障檢測的結果修改當前采集周期的轉速傳感器待濾波數組和轉速傳感器濾波有效狀態數組，在線修改濾波窗口，從而達到主動容錯控制的功能。改進后的濾波算法開環在線仿真或不再受個別奇異點的影響，能夠有效的剔除奇異點，提高了發動機穩轉性能。

參考文獻：

[1] 王永強，葉昊，王桂增.網絡化控制系統故障檢測技術的最新進展.控制理論與應用[J].2009年4月第26卷第4期：400-409.

[2] 何靜，邱靜，張昌凡等.非線性系統的集成故障診斷和容錯控制.機械工程學報[J].2009年5月第45卷第5期：70-78.

[3] 王敏，臧曙，周東華.非線性動態系統的容錯控制.計算技術與自動化[J].2004年12月第23卷第4期：7-10.

[4] 毛海杰，李煒，馮小林.非線性系統主動容錯控制綜述.傳感器與微系統.2014年第33卷第4期：6-13.