現場控制儀表的故障診斷與補償容錯控制系統

張祖鷹

（南京化工職業技術學院，南京 210048）

0 引言

一般的過程控制系統基礎層往往包含90%以上的常規控制回路，回路之間又存在關聯耦合現象，一旦局部某一控制回路發生故障(例如，傳感器故障或者閥門故障)，導致控制回路發生波動，性能退化，故障通過回路之間關聯傳遞機制傳播到相關回路，其性能也被退化，致使整個廠級控制系統出現波動，輕則導致產品質量下降，能耗上升，重則導致廠級控制系統癱瘓，發生安全事故。這時往往都是現場工程師通過對故障現象分析，準確定位控制回路，并經過維護消除故障，整個工業控制系統恢復正常運行狀態。因此，問題回路的有效定位是解決廠級范圍控制回路性能降低退化的重要因素[1]。另一方面對于連續的流程工業生產線，其往往只是一年大修一次，因此對于一些性能衰退的設備或者故障設備，一時又難以進行維修或者更換，需要從控制補償的角度提出主動容錯控制方法，最大限度地將控制回路性能維持在正常狀態。

1 故障現象的合理描述

工業過程目前絕大部分己采用了計算機控制系統，且以計算機控制的可靠性可以達到較高水平，隨之而來的問題是執行器和傳感器可靠性的不足。實際上，傳感器和執行器的故障已成為導致控制系統失效的主要原因，據統計，80%控制系統失效，起因于傳感器和執行器故障[2]。然而，傳統控制理論的研究大多都是基于傳感器和執行器工作正常的假設。因此，研究傳感器和執行器的故障檢測和容錯控制問題有重要的理論和應用價值。另一方面，目前大部分故障容錯控制研究中廣泛采用了“二狀態故障模型”，雖然這種描述可以簡化故障診斷和容錯控制的研究，但這種描述不能很好的反映實際的工程系統中所發生的故障現象。因此，如何建立合理的實際故障的解析模型是非常必要的。

1.1 傳感器故障的合理描述1.1.1 傳感器故障問題的描述

對于一個多輸入多輸出的非線性動態系統，其傳感器故障數學模型描述為：

這里，x∈Rn是狀態矢量；u∈Rm是輸入矢量；f(x,u)∈Rn表示系統的非線性系統模型；η(x,u)表示模型的不確定性；F(x,u,t)∈Rn表示傳感器故障函數；g(x,u)∈Rq表示系統的輸出函數；g(t)∈Rq表示測量的隨機誤差，或稱自由噪聲。通常自由噪聲服從零平均值的正態分布，即ε(t)～N(0,σ12)，其中σ1

2為自由噪聲的方差，它主要是由于測量系統本身或測量過程本身的隨機性造成的，是不可預期的。

1.1.2 傳感器故障分類及其特性描述

在實際的工業過程中，傳感器由于外界環境的干擾和其本身的特性，會發生許多種不同類型的故障，例如：偏差故障、漂移故障、精度下降故障和完全故障。前三種故障被稱為“軟故障”，而后一種故障被稱為“硬故障”。軟故障由于故障現象不明顯，難于被檢測，使得軟故障在某種程度上比硬故障危害更大[3]。這四種傳感器故障的解析模型可以被描述為：

1）偏差故障：是指故障測量值與正確測量值相差某一恒定常數的一類故障，即：F(x,u,t)=b，b為常數。

該類有故障的測量與無故障的測量是平行的，只是兩者之間相差一個常數b。

2）漂移故障：是指故障大小隨時間發生線性變化的一類故障，其表示形式為：

F(x.u.t)=d(t,T0)，d為常數，T0為的故障起始時刻。

該類有故障測量值與無故障測量值之間的差距隨時間的推移而不斷加大。

3）精度下降故障：發生精度下降故障時，測量的平均值并沒有變化，而是測量的方差發生了變化。具體表示形式為：F(x.u.t)～N(0,σ22)。這里，N(0,σ22)表示高斯白噪聲，σ2

2表示方差。精度下降故障類似于自由噪聲的方差增大的情況。其表現形式有故障測量與無故障測量混雜在一起。正是由于這一點，使得該類故障的檢測較其他三類故障更難。

4）完全故障：完全故障時測量值不隨實際變化而變化，始終保持某一讀數。通常這一恒定值一般是儀表量程的最大或最小值。該類故障可以表示成為：F(x,u,t)=c， c表示儀表量程的最大或最小值。

此類故障檢測的關鍵是早期檢測，防止故障步的擴大。

1.2 執行器故障的描述[4]

執行器位于控制回路的終端，控制系統的控制性能與執行器的性能和正確有著直接的十分重要的關系。閥門是流程工業最常用的執行器，其使用不當或閥障引起的生產不能正常進行甚至造成事故的情況不勝枚舉。另一方面在一個裝置閥門的數量眾多，一些關鍵部位的閥門價值昂貴且難于更換。

1.2.1 閥門裝置的基本結構

閥門由執行機構、調節機構和閥門定位器組成。執行機構將控制器輸出信號轉換成控制閥的推力，由推力力矩進一步轉化為角位移信號;調解機構將位移信號轉換為流通面積的變化，從而影響流體流量。閥門定位器可改善控制系統功能，與閥桿位移量組成副回路控制，克服摩擦力、不平衡力和回差干擾。閥門定位器構成一個負反饋回路與原有的被控變量組成串級控制，如圖1所示。

圖1 閥門控制原理結構圖

1.2.2 閥門常見故障的合理描述

閥門故障按照其機構可以劃分為：調節機構故障、執行機構故障、定位器故障和一般外部故障。常見的故障大致可以歸納19種故障情況，同時列出了每種故障的類型及其數學描述模型。

1）調節機構常見故障

表1 調節機構常見故障描述

2）執行機構常見故障

表2 執行機構常見故障描述

3）定位器常見故障

表3 定位器常見故障描述

4）一般外部故障

表4 外部故障描述

2 基于多模型的魯棒故障檢測技術

基于解析模型的故障檢測與診斷方法是通過系統實際行為與基于模型的預期行為的差異的分析與比較，檢測系統是否發生故障，并對故障發生部位、故障的大小及類型進行診斷。這種基于解析模型的故障診斷方法具有不需要另增加其他物理設備的優點，在理論研究和工程應用方面都具有很強的吸引力[5,6]。

2.1 殘差的生成

故障診斷領域的殘差主要指被監控系統的真實行為與基于系統數學模型的預行為之間的不一致性或差異，是過程故障檢測系統的核心。由于噪音和模型的不確定的存在，即使在無故障時，殘差也不可能為零。

殘差不僅與加性故或乘性故障相關，而且與系統參數的不確定、噪聲和擾動相關。系統的擾動、噪聲模型誤差導致了殘差在正常工況時為非零值，增加了故障檢測的難度。所以在設計差發生器時，就應考慮到殘差受外界擾動、噪聲和模型誤差的影響盡可能的少，也是說殘差對這些未知輸入應具有一定的魯棒性。

2.2 自適應閾值區域估計

這里自適應閾值區域主要由三部分組成：1）測量噪聲引起的隨定誤差ε(k)；2）線性模型不確定誤差范圍；3）線性化誤差試[7]。

2.3 閉環系統的魯棒故障檢測技術

采用加權移動平均殘差和自適應閾值包絡保守的故障檢測技術進行帶有不確定相和測量噪聲的故障檢測。故障檢測的方框圖如圖2所示。

圖2 閉環系統魯棒故障檢測結構圖

2.3.1 加權移動平均殘差技術

為了有效地解決由于測量噪聲和外界擾動對殘差造成的影響，采用基于一個移動時間窗L定義一個濾波器，由起始于當前采樣時刻k的過去L個殘差加權組成，此移動時間窗在每一時刻都進行更新。

2.3.2 自適應閾值包絡故障檢測

采用自適應閾值包絡軌跡與加權移動平均殘差及在每一個移動時間窗內L內相比較檢測系統故障。自適應閾值發生器是基于動態優化和假定參數不確定下，最小可能的閾值等于由于模型的不確定相造成的正常模型產生的最大可能偏離。自適應閾值的最大最小值隨著時間變化曲線就成為包絡軌跡。也可以采用基于知識方法(例如神經網絡方法、模式識別等)建立正常工況的最大和最小邊界，從而形成殘差閾值包括軌跡。在移動時間窗內，若加權移動平均殘差落在自適應閾值包絡軌跡內，認為殘差主要由模型的不確定和噪聲引起，系統正常，反之系統發生故障。利用上述故障檢測方法可以大大減少由于不確定干擾和測量噪聲導致的誤報警，故障檢測魯棒性明顯提高了。

3 主動補償容錯控制方法的設計

對于復雜的工業控制系統，由于負反饋控制和控制回路之間耦合等因素使得故障迅速在整個回路傳播，從而故障引起系統動態的變化往往不明顯。因此，針對實際閉環控制系統進行在線故障調節策略的設計不容易實現。在工業系統中，有些故障經常發生，或者是可預見的故障，例如系統元件的隨著使用時間性能退化的故障，我們把這些故障稱為“歷史故障”。對于“歷史故障”可以離線建立故障描述模型和故障特征，設計相應的主動容錯控制策略，并儲存在歷史故障庫和歷史故障容錯控制策略庫中。如果系統檢測到故障，故障診斷模塊被啟動，確定故障的大小、位置后，與歷史故障模型匹配，實現故障的隔離，根據故障匹配結果，切換到相應的補償容錯控制策略。盡管這種基于多模型的切換控制系統的穩定性在理論上并沒有被很好的證明，但這種基于多模型的主動容錯控制思想己被廣泛地應用在實際工業中[8]。

根據以上思想，可構成一個容易工程實現的故障檢測、診斷與主動補償容錯控制方法的結構圖，如圖3所示。

圖3 主動補償容錯控制方法的結構圖

該方法可以初步認為由三層結構組成；第一層:工業系統的基礎閉環控制層；第二層：基于多模型的故障檢測診斷與補償容錯控制層(FDT);第三層:人機監督管理層。

3.1 工業系統的基礎閉環控制層

這一層主要由傳感器、執行器、信號轉化和控制器組成的常規控制回路組成。在流程工業生產過程中，這一層常采用集散控制系統、可編程控制器或計算機直接控制等。一般的過程控制系統基礎層往往包含90%以上的常規控制回路，回路之間存在著關聯耦合現象。一旦局部的控制回路發生異常(如調節閥/傳感器發生故障)，導致波動，由于系統關聯傳遞機制，可能整個系統會出現廠級范圍波動。基礎層控制性能對于工況的穩定有著直接的影響，也對故障的產生，故障的檢測和診斷性能，以及進一步容錯控制策略實施有很大的影響。

3.2 基于多模型的故障檢測診斷與容錯控制層

本層的在線智能故障容錯控制方法采用一個單獨的故障檢測模塊、故障診斷模塊、主動補償容錯控制模塊。

3.2.1 故障的檢測模塊

采用一個成本有效的保守故障檢測與診斷方案。故障檢測模塊采用加權移動平均殘差和自適應閾值包絡的保守故障檢測方法。檢測模塊根據正常行為模式，周期性地檢測系統的“健康”狀態。3.2.2 基于多殘差動態描述的故障診斷模塊

根據不同的故障模式在過程操作單元和控制回路之間故障傳播的途徑不同，可設 “多殘差描述故障特征”。即根據可測量的變量信號和控制信號以及故障信號在閉環系統中的傳播途徑，建立多個操作單元或控制回路的數學模型。通過系統測量值與模型估計值之間形成多殘差描述。

3.3.3 主動容錯補償調節模塊

如圖3所示，一個控制策略協調器平行置于歷史故障容錯補償調節控制庫和正常控制器之間。在線過程監控時，根據系統目前運行狀況，控制策略可能來源于下述三種控制方式之一：正?？刂破鳎▽＿\行工況）、歷史故障調節控制器（對應于歷史故障情況）和在線智能調節控制器（對應于未知故障情況）。在這種模式下，系統正常采用正?？刂撇呗裕斚到y檢到故障，故障診斷模塊診斷故障的類型與大小，如果判斷是歷史故障，則相應的歷史故障補償容錯控制器被切換到當前控制。否則，被認為故障為“未知故障”，在線智能控制調節器被切換到當前策略。

3.3 人機監督管理層

人機監督管理層主要功能包括：報警系統、緊急停車和人機對話功能。工程師和管理人員可以通過權限修改相關指令，例如:控制目標的變化，參數的整定等操作，并與智能調節器相聯結。如果系統診斷出當前故障屬于未知故障，系統發出警告，監督層密切注意生產狀況，緊急切斷電源，防止不曾預計的未知故障帶來災難性的后果。

4 結束語

隨著過程控制系統的自動化程度以及復雜程度不斷提高，故障檢測、診斷與容錯控制成為現代過程控制系統的一個重要組成部分。本文在分析了過程控制系統的主要特點與現狀的基礎上，建立了多種傳感器故障和執行器故障(閥門故障)合理描述形式，使其更加貼近于工業實際情況；研究基于數據驅動的多種故障模式下的快速故障檢測診斷方法；由于生產過程的控制的目標不僅是產品質量，而且要求成本、能耗和環境等多項性能指標同時滿足要求，進一步探索了在多目標或多約束條件下的滿意容錯控制方法。

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[7] 胡峰,孫國基.過程監控技術及其應用[M].北京:國防工業出版社,2001.

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