電子專用測試設備故障診斷中容錯控制系統

張小冰

（浙江東方職業技術學院信息傳媒與自動化學院，浙江溫州325000）

電子專用測試設備故障診斷系統研究的主要內容是測試設備故障控制單元設計[1]。在控制系統中，如果只是單純的加大各個測試元件系數，則不可能提高系統可靠性，且該做法還會增加成本。合理、經濟配置其它元件、采用容錯控制系統，能夠針對某個故障位置進行診斷[2]。容錯控制系統的運用能夠提高整個故障診斷效果。傳統故障診斷存在故障診斷效果差、耗費時間長、容錯控制能力弱等問題，不能滿足專用測試設備的標準[3]。提出對電子專用測試設備故障診斷中容錯控制系統進行設計。采用故障之前診斷與故障之后診斷方法分析設備磨損容錯性質，分析設備出現故障時系統的反饋機理，利用綜合冗余方法實現測試設備故障診斷容錯有效控制。由實驗結果可知，改進的故障診斷系統能夠延長設備使用壽命，提高運行安全性。

1 系統基本結構

為解決電子專用測試設備故障發生的問題及造成的后果，采用兩種方法進行診斷[4-5]：第一種是在故障發生之前，及時采取相應措施進行補償或者減小故障的影響；第二種是在故障發生之后，充分利用冗余資源來代替電子專用測試的故障設備，確保設備能夠正常運行[6]。故障診斷中容錯控制系統基本結構如圖1所示。

圖1 故障診斷中容錯控制系統基本結構

1.1 測試設備故障檢測與診斷

電子專用測試設備故障診斷能夠及時發現測試的故障，根據故障診斷能夠確定故障類型、位置或者故障程度，并為容錯控制提供必要的信息支持[7]。故障檢測診斷的準確性和實效性能夠直接影響電子專用測試設備故障的容錯能力，目前主要采用數學模型對故障進行檢測與診斷[8]。

1.2 測試設備故障控制與處理

診斷設備故障后，需要對不同故障源和特點進行容錯處理，從而實現故障控制，如圖2所示。

圖2 設備磨損容錯控制

由圖2可知，根據設備性質采用耐磨性較高的材料，刀架軌道則使用耐磨性較低的材料[9]。在檢測過程中，當刀架軌道發生磨損的時候，h會發生改變。通過位移傳感器發出的指令，對絲桿和絲母的位移量進行彌補，實現設備磨損的容錯控制基本結構。

2 基于Riccati型方程容錯控制

該系統的狀態方程為：

公式（1）中：W(t)為狀態變量；P(t)為控制向量；A、B、C、D為維數矩陣；{A、C} 是可觀測的。

Riccati型方程為：

其中：E≥0，R>0，R=Rt，E=VtV。

那么公式（2）中O具有以下性質：

1）如果{A、B} 可固定，那么對{V、A}進行檢測的時候，O為唯一值且O≥0；

2）如果{A、B} 可固定，那么對{V、A}進行檢測的時候，O為唯一值且O>0；

3）如果下列公式中k≥0.5時：

在公式（3）中λ(°)表示矩陣任意的屬性值。

如果R{λ(A)}<0，那么方程（2）只有唯一解，且O≥0；如果{A、B} 可固定，并且rankQ=n，那么方程（2）只有唯一解O>0[9]。

根據上述方程應充分考慮二次型目標函數：

其中：a>0，那么Q和R應該滿足公式（2）中O的性質，那么得到最優狀態反饋的矩陣為：

式中O的Riccati型方程解為：

并且K≥0.5。

當系統狀態變量中傳感器出現故障時，系統的反饋機理如圖3所示。

圖3 反饋機理

系統狀態變量可以將直接測量到的數據轉換為圖3中的M故障矩陣：

若系統中的傳感器完全失效，則M為0；若系統中的傳感器正常，沒有出現故障，則M為0。由此可將公式（6）轉換為：

針對初始值Q0和R0采用逐步迭代的方法確定Q和R的矩陣，在大范圍內搜尋最佳值，根據反饋矩陣獲取的信息，使系統反饋控制能夠滿足不同測試設備故障模式，進而達到魯棒容錯控制的效果[12]。

3 故障容錯控制系統的實現

針對故障容錯控制系統的實現可以采用綜合冗余的方法[10-12]。綜合冗余就是將不同冗余資源進行綜合運用，能夠有效地提高電子專用測試設備的故障自治能力。

使用可實現的冗余資源對系統的硬件與軟件進行設置。硬件冗余通過在測試設備關鍵位置引進多樣的部件，選用備用部件對故障位置進行消除；軟件冗余則是通過增加程序或者使用可將程序進行修改的控制容錯方法來實現。在針對同一故障信息源的時候，可以使用不同軟件進行識別與分析，經表決對執行結果進行決策，亦或通過修改容錯指令進行故障補償，將結構重置提高設備故障容錯能力[13-14]。

通常情況下，硬件冗余量越大，該系統可靠性就越強，但存在弊端是其成本與體積會隨之增加。對于設備修復，可采用雙模或三模冗余方法；軟件冗余通過軟件來實現。綜合冗余能夠提高測試設備的容錯能力，也能將冗余消耗殆盡[15-16]。在設備可靠情況下，最大程度控制資源的消耗，實現故障診斷容錯控制低資源消耗系統的設計。

4 實 驗

為了驗證電子專用測試設備故障診斷中容錯控制系統設計的有效性，進行了如下實驗。

4.1 參數設置

為了驗證改進系統容錯控制效果，將公式（1）中的維數矩陣A、B、C、D進行設置，如下所示：

其中正常的M0=diag{1，1}，故障1為M1=diag{1，0}，故障2為M2=diag{0，1}，故障 3 為 M3=diag{0，0} 。將M0、M1、M2、M3代入，獲得的矩陣為：

4.2 實驗結果與分析

獲取傳感器故障下閉環系統的極點分布，如表1所示。

表1 不同故障點的閉環系統極點分布

傳統系統中不考慮容錯控制結果如圖4所示。

圖4 傳統系統不考慮容錯控故障診斷結果

由圖4可知：傳統系統不考慮容錯控制情況下，當故障1發生的時候，傳感器出現故障，此時容錯控制能力大于正常值；當故障2發生的時候，轉矩傳感器發生故障，此時容錯控制能力小于正常值。

改進的電子專用測試設備故障診斷中容錯控制系統效果如圖5所示。

圖5 考慮容錯控故障診斷結果

由圖5可知：采用改進的容錯控制系統對電子專用測試設備故障診斷，當故障1發生的時候，傳感器出現故障，此時容錯控制能力大致等于正常值；當故障2發生的時候，轉矩傳感器發生故障，此時容錯控制能力也接近正常值。由此可知，相比傳統系統，改進系統的故障診斷效果好、容錯控制力強等優勢。

將傳統系統與改進的故障診斷容錯控制系統中設備的使用壽命進行對比，結果如圖6所示。

圖6 兩種系統設備使用壽命對比

由圖6可知：當故障位置為1的時候，經過傳統系統檢測，該設備使用壽命僅為2個月，而經過改進的容錯控制系統對故障檢測，該設備使用壽命為5個多月；而當故障位置為2的時候，經過傳統系統檢測，設備使用壽命為3個月，而經過改進的容錯控制系統對故障檢測，該設備使用壽命為7個月。

由此可知：傳統系統故障診斷不精確，很難將故障問題完全清除，導致設備使用壽命降低，而改進的容錯控制系統對電子專用測試設備故障診斷能夠將全部問題清除，延長設備使用壽命。

4.3 實驗結論

傳統系統容錯控制力弱、故障診斷效果差，在系統性能方面遠遠不如改進的容錯控制系統。傳統系統故障診斷不精確，很難將故障問題完全清除，使設備使用壽命降低，而采用改進的容錯控制系統對電子專用測試設備故障進行診斷，能夠將全部問題清除，延長設備使用壽命。

5 結束語

對設備故障診斷容錯控制系統進行設計研究，是電力測試設備故障診斷的重要研究課題。根據故障檢測信息，利用容錯技術對故障設備進行控制，可有效提高設備運行的可靠性與安全性。改進系統不但具有自動檢測功能，還具有診斷、分析處理能力，可廣泛應用于航空、航天、石油等各種領域的重要設備當中，能夠產生顯著的經濟效益。

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