機(jī)電控制系統(tǒng)故障診斷問(wèn)題研究

1、機(jī)電控制系統(tǒng)故障診斷問(wèn)題研究【摘要】 加強(qiáng)機(jī)電控制系統(tǒng)故障診斷問(wèn)題的研究是非常有實(shí)際意義的工作。筆者結(jié)合多年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)，就機(jī)電控制系統(tǒng)故障診斷問(wèn)題進(jìn)行了研究，具有一定的參考意義。 【關(guān)鍵詞】 機(jī)電控制系統(tǒng) 故障診斷 變頻器 中圖分類號(hào)：TM921.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 【引言】 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技水平的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備的功能越來(lái)越完善，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，但結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，維護(hù)修理費(fèi)用也在不斷上升，維修人員不足、手段落后與需要維護(hù)區(qū)域廣泛、種類繁多的矛盾日益突顯，因此加強(qiáng)機(jī)電控制系統(tǒng)故障診斷問(wèn)題的研究非常具有實(shí)際意義。 機(jī)電控制系統(tǒng)的分類 機(jī)電控制系統(tǒng)分類的原則性非常強(qiáng)，根

2、據(jù)不同原則可分出不同機(jī)電控制系統(tǒng)。按照輸出量分類：機(jī)電控制系統(tǒng)可以依據(jù)系統(tǒng)輸出量的反饋分為開(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式兩種機(jī)電控制系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)式機(jī)電控制系統(tǒng)是利用電機(jī)的轉(zhuǎn)角和脈沖連保證精準(zhǔn)度，所以精度比較低；閉環(huán)式機(jī)電控制系統(tǒng)要比開(kāi)環(huán)式的構(gòu)成復(fù)雜，而且精度高；對(duì)于系統(tǒng)的控制被外界造成的誤差，與開(kāi)環(huán)式機(jī)電控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)式具備修正的能力。 按照控制信號(hào)的變量形式分類：機(jī)電控制系統(tǒng)按照控制器的方式不同可以分成模擬式和數(shù)字式。模擬式構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，而且實(shí)時(shí)性能很好，但是對(duì)于比較復(fù)雜的控制監(jiān)督，模擬機(jī)電控系統(tǒng)目前還是實(shí)現(xiàn)不了；數(shù)字式和閉環(huán)式一樣有著高精度的保證，相比較模擬式，它的靈活性能更強(qiáng)，對(duì)于監(jiān)督系統(tǒng)異常狀態(tài)的處

3、理功能強(qiáng)；按照系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化規(guī)律可以分為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)三種。自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)也是定值控制系統(tǒng)，他控制的范圍是系統(tǒng)的基本任務(wù)；隨動(dòng)控制系統(tǒng)可以精度復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，這是隨動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)；如果有兩個(gè)或者兩個(gè)以上同時(shí)執(zhí)行任務(wù)的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，程序控制系統(tǒng)可以執(zhí)行指揮每個(gè)環(huán)節(jié)的控制信號(hào)，使各部動(dòng)作的執(zhí)行依次有序。 機(jī)電控制系統(tǒng)故障類型 機(jī)電控制系統(tǒng)故障的產(chǎn)生和表現(xiàn)形式都有很大的差別，因?yàn)闄C(jī)電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件是不同的。機(jī)電控制系統(tǒng)比較常見(jiàn)的故障類型主要有以下三種： 硬件邏輯故障：硬件邏輯故障又可細(xì)致的分為永久性故障、間發(fā)性故障以及邊緣性故障三種。永久性故障又稱為硬故障，就是指

4、不可恢復(fù)的故障。其表現(xiàn)的形式是給定輸入，就會(huì)出現(xiàn)重復(fù)性的錯(cuò)誤響應(yīng)。比如芯片或者器件內(nèi)部無(wú)法修復(fù)，或者是開(kāi)路和短路，這都屬于永久性邏輯故障范疇；間發(fā)性故障又稱為軟故障，帶有一定隨機(jī)性和偶發(fā)性，最后也有可能轉(zhuǎn)變成永久性故障。造成間發(fā)性故障的原因是因?yàn)橛?jì)時(shí)有偏差或者是外部電器噪音等等，如果器件性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求也比較容易造成這種軟故障；邊緣性故障也會(huì)逐步變化成為硬故障，它是元器件老化影響邊界值發(fā)生的一種故障，所以沒(méi)有固定的邏輯值，比如時(shí)鐘的前沿等一些指標(biāo)的下降，或者是電源不穩(wěn)定致使寄存器信息的丟失等都是邊緣性故障中比較常見(jiàn)的故障。 軟體故障：軟體故障分為系統(tǒng)軟件故障和應(yīng)用軟件故障。系統(tǒng)故障的原因是由

5、設(shè)計(jì)原因引起的，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的構(gòu)思和系統(tǒng)功能的了解不夠，在運(yùn)行以后比較容易出現(xiàn)這種故障。因此對(duì)于軟件的設(shè)計(jì)一定要有一個(gè)精準(zhǔn)的計(jì)劃和方案以此來(lái)提高系統(tǒng)軟件的可靠性；應(yīng)用軟件故障主要是由于輸入錯(cuò)誤而引發(fā)的，這種故障也有一定的隨機(jī)性和偶然性。一般是在編寫(xiě)程序或者輸入過(guò)程中產(chǎn)生的人為錯(cuò)誤，所以要在輸入時(shí)嚴(yán)格把守，增加一些應(yīng)用軟件的檢測(cè)功能，是軟件可以自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。這樣才是抑制故障發(fā)生的途徑。 干擾故障：常見(jiàn)干擾故障分為內(nèi)部干擾和外部干擾。內(nèi)部干擾就是由系統(tǒng)工藝、結(jié)構(gòu)、線路設(shè)計(jì)、電源以及底線處理不當(dāng)引發(fā)的故障，也可能是器件的性能變化引起的，內(nèi)部干擾帶有很強(qiáng)的隨機(jī)性和偶發(fā)性。外部干擾就是指外

6、部裝置串?dāng)_到內(nèi)部裝置的各種形式的干擾。比如一些閃電或者雷擊等自然想象造成的干擾，或者是工業(yè)和用電造成的人為干擾。 機(jī)電系統(tǒng)的控制故障除了系統(tǒng)方面的，還包括機(jī)械部件和檢測(cè)裝置等引發(fā)的故障。比如在機(jī)構(gòu)運(yùn)行中，某些系統(tǒng)的齒輪被卡、電機(jī)斷相運(yùn)行或者監(jiān)測(cè)裝置失靈等一些故障，這些與上述控制系統(tǒng)的故障相比較，可觀測(cè)性和可控性是比較容易查找和定位的。 機(jī)電控制系統(tǒng)故障診斷 故障診治系統(tǒng)是一門(mén)新的學(xué)科，是提高機(jī)電系統(tǒng)綜合性的技術(shù)。從理論上講，無(wú)論故障的表現(xiàn)形式如何的錯(cuò)綜復(fù)雜，都可以通過(guò)診斷技術(shù)以故障信號(hào)為依據(jù)，對(duì)各種故障進(jìn)行分析和修復(fù)。 診斷技術(shù)內(nèi)容 診斷就是將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與測(cè)試的診斷結(jié)果相比較，然后確定故障的種類

7、和位置。在出現(xiàn)故障時(shí)，要迅速確定故障的位置和種類，評(píng)估出故障發(fā)生的原因，以便采取相應(yīng)的措施。要根據(jù)故障的嚴(yán)重程度和類別來(lái)決定修復(fù)和補(bǔ)救的策略：在故障沒(méi)有發(fā)生的時(shí)候，要對(duì)故障進(jìn)行假設(shè)性的檢測(cè)，比如故障會(huì)使輸出變量、狀態(tài)變量、殘差變量，而且要觀測(cè)模型參數(shù)、物理參數(shù)等是否存在變化的可能性，這是所有故障診斷方式都可以使假設(shè)診斷的條件。 故障診斷測(cè)試 故障診斷的測(cè)試通常有兩種測(cè)試： 故障監(jiān)測(cè)：是指在故障發(fā)生之前，診斷對(duì)象還處在一個(gè)工作的狀態(tài)，這是一種在線測(cè)試，是為了預(yù)測(cè)故障或及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障而進(jìn)行的一種測(cè)試，這種情況稱為故障監(jiān)測(cè)。 實(shí)驗(yàn)性測(cè)試：是指在故障出現(xiàn)之后，為了可以迅速確定故障的種類和位置，對(duì)診斷對(duì)象

8、進(jìn)行的一種測(cè)試，在測(cè)試的時(shí)候，診斷對(duì)象必須停止工作，這種情況稱為診斷測(cè)試。 發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代故障診斷的發(fā)展方向是與容錯(cuò)控制、冗余控制、監(jiān)控控制和余度管理等可靠性系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合的，是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)維修策略、監(jiān)測(cè)控制、容錯(cuò)控制、自治控制、可信性系統(tǒng)等設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵。 解析余度管理 現(xiàn)代余度管理從硬件余度向綜合余度和解析余度管理發(fā)展。20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及其計(jì)算能力、可靠性的提高，現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展，出現(xiàn)了以分析冗余取代物理（硬件）冗余的余度可靠性設(shè)計(jì)和余度管理思想。分析余度方式是利用狀態(tài)估計(jì)、參數(shù)估計(jì)、自適應(yīng)漣波、變量間值邏輯、統(tǒng)計(jì)決策理論和綜合邏輯的信號(hào)處理技術(shù)，可以在電子電路或計(jì)算

9、機(jī)上實(shí)現(xiàn)。目前實(shí)施的余度管理方式還是綜合方式，即包括硬件余度和解析余度。發(fā)展方向是分析余度。 可信性系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由于現(xiàn)代機(jī)電自動(dòng)化及控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大、復(fù)雜性日益提高以及系統(tǒng)投資的巨大，人們迫切需要提高機(jī)電自動(dòng)化及控制系統(tǒng)的可信性。因而有必要建立一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)監(jiān)督整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，不斷檢測(cè)系統(tǒng)的變化和故障信息，進(jìn)而采取必要的措施來(lái)防止故障的傳播和災(zāi)難性事故的發(fā)生。而其前提條件是具有在線實(shí)時(shí)可靠檢測(cè)和診斷故障的能力。因此，故障診斷是實(shí)現(xiàn)可信性系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？尚判韵到y(tǒng)指集可靠性、有效性、可維修性和安全性為一體的系統(tǒng)。提高系統(tǒng)可信性的方法，即設(shè)計(jì)可信性系統(tǒng)的方法:(l）提高元部件本身

10、的可靠性(2）采用余度系統(tǒng)（部件），如硬件、軟件和復(fù)合冗余結(jié)構(gòu)；(3）采用基于FDIA 的容錯(cuò)和監(jiān)控等控制系統(tǒng)。 魯棒故障診斷 故障診斷的魯棒性是所有故障診斷理論、方法和系統(tǒng)所面臨的重要問(wèn)題。魯棒故障診斷（RFD）概念首次在基于模型的故障診斷方法中提出。日前能查到的魯棒故障診斷研究都是基于控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的。特別需指出的是在整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)中，包括液壓系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)，還沒(méi)有見(jiàn)到魯棒故障診斷的研究報(bào)道?？偟膩?lái)說(shuō)，RFD還是一新研究方向，是解決故降診斷實(shí)際應(yīng)用的有效途徑，是提高故降診斷系統(tǒng)性能指標(biāo)的有效方式，同時(shí)將產(chǎn)生新穎有效的故降診斷理論和方法。 綜上所述，要減少機(jī)電控制系統(tǒng)的故障，就要提高機(jī)電控制系統(tǒng)可靠性的保證，要在故障發(fā)生之前徹底消除，或者是降低故障的發(fā)生概率。不可避免的情況下，就要用診斷的技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障的位置和類型，以縮短修理的時(shí)間和提高系統(tǒng)的有