現場儀表的主動補償容錯控制策略研究

摘 要：該文講述了現場儀表控制系統中經常出現的故障，詳細分析了傳感器與執行器產生故障的原因，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

常規的控制回路是建立在一般的過程控制系統上的?；芈分g相互配合，如果當中有一個部位出現問題，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個系統面臨癱瘓。根據這個原理，科學、快速解決控制回路中出現的問題，可以保證整個控制系統的高效運行。但是對于連續作業系統來說，系統設備的維護和更換在一定程度上會影響到生產的進程，所以，根據主動補償容錯控制的思想對整個系統進行主動的容錯控制，從而保證整個系統正常工作。

1 傳感器出現故障描述

在現場實際的工業過程中，傳感器由于外界環境的影響和自身的特點，會出現很多不一樣的故障。例如：漂移故障、誤差故障、精度不準確故障和完全故障。前三種故障出現故障的現象不明顯，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、輸出的非線性動態控制，其發生故障模型為：

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，狀態矢量；u∈Rm，輸入矢量；f（x，u）屬于系統的非線性模型；模型的不確定性由η（x，u）表示[1]。

2 執行器出現故障描述

整個系統控制回路的末端就是執行器。執行器對于整個控制系統的良好運行發揮著重要的作用。在工業工程中比較常見的執行器就是閥門。在工業生產過程中，一旦閥門出現故障或者操作方法不正確，就會導致工業生產不能正常進行，達到一定嚴重程度就會發生意外事故。與此同時，在控制系統中，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

執行部門、閥門定位器、調節機構這三個部門組成了閥門?？刂破鞯妮敵鲂盘柾ㄟ^執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生影響，進一步改變流體流量，從而改變流體流量?？刂葡到y的作用通過閥門的定位器部分實現改善。定位器和閥桿位移量形成了控制系統的另一條回路控制，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、調節機構故障以及定位器故障等。例如：當整個系統的壓力供給降低時，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表示故障時滯后環度；Xf表示故障時閥桿移動距離；Kwf表示故障時閥流量系數；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[3]。

3 主動補償容錯控制策略

在復雜的控制系統中，負反饋和控制回路的交合會造成整個控制系統回路的故障擴大化，因此故障不會帶來控制系統較大變化，根據這個原理，對閉環控制系統的在線故障調節很難實現。在工業生產過程中出現的故障很多可以預見，或者是一些故障經常發生。把全部故障根據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。系統能夠根據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，在工業現場，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，根據現場實際情況決定采用系統基礎閉環控制或者是人機跟進監督管理等方法[4]。

系統基礎閉環控制層是由傳感器、執行器和信號轉化、控制器組成的一般控制回路。其中計算機控制系統和集散控制系統比較常用。在現實生活中，工業控制線路采用常規控制回路占了90%以上。如果回路控制發生故障，那么整個系統都會受到牽連，因為回路和系統的多個線路都有聯系。系統的基礎閉環控制能夠很好地穩定不良情況，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，對整個系統的工作狀態進行認真仔細檢查。因為在整個系統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。利用系統的模型預估值和系統的測量值之間的偏差之間安裝控制策略協調器，這一調節工具。如果系統正常工作，系統就會自動采用正常的控制策略，如果系統發生故障，那么安裝的容錯控制器就會自動啟動，通過對故障的判斷，系統會把以前故障補償容錯制器切換到現階段的控制，從而保證整個系統正常、高效運行。

隨著科技的發展，現場儀表的主動補償容錯控制策略也越來越多?，F階段，我們在研究過程控制系統的主要特點和現實情況基礎上，已經建立了多種傳感器故障以及執行器故障的合理表述形式，讓研究更加符合工業實際情況。因為工業生產過程的控制目標要求成本、能源消耗和環境效益等各項指標都能夠符合要求，從而研究出能使工業生產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.現代故障診斷與容錯控制[M].北京：清華大學出版社，2011.