多模型傳感器故障軟閉環(huán)容錯(cuò)控制方法與應(yīng)用策略

周菲

（江蘇省江都中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 江都 225200）

多模型傳感器故障軟閉環(huán)容錯(cuò)控制方法與應(yīng)用策略

Tolerant control and application strategy of multi-model sensor fault soft closed loop

周菲

（江蘇省江都中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 江都 225200）

隨著工業(yè)系統(tǒng)的復(fù)雜日漸增加，系統(tǒng)安全與可靠性的要求也越來(lái)越高。而現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中豐富的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備與飛速發(fā)展的控制技術(shù)，提高了系統(tǒng)的安全性，也為系統(tǒng)的安全性提供了一定程度上保障。工業(yè)系統(tǒng)對(duì)為非線性，且傳感器容易發(fā)生故障，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，提出多模型與單模型的傳感器故障檢測(cè)，及軟閉環(huán)容錯(cuò)控制方案，并對(duì)各類傳感器易發(fā)故障進(jìn)行相應(yīng)仿真及半實(shí)驗(yàn)實(shí)體研究。

傳感器故障；軟閉環(huán)容錯(cuò)控制；應(yīng)用策略

0 引言

隨著現(xiàn)代科技發(fā)展及自動(dòng)化水平提高，現(xiàn)代控制系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，數(shù)據(jù)運(yùn)行過(guò)程中，需要大量傳感器做支撐，來(lái)保證系統(tǒng)能正常工作。但是，惡劣的環(huán)境，如高溫、潮濕、高壓、粉塵等。機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間在這種惡劣的環(huán)境下工作，很容易出現(xiàn)故障。

如果說(shuō)故障出現(xiàn)在反饋系統(tǒng)中，所造成的影響就是已故障的傳感器傳來(lái)的反饋信號(hào)不會(huì)迅速傳播，這將導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，以致于機(jī)器無(wú)法正常工作。

1 多模型傳感器故障軟閉環(huán)容錯(cuò)控制

容錯(cuò)控制方案。在過(guò)去，人們通常會(huì)認(rèn)為，對(duì)于一般的小故障，環(huán)閉系統(tǒng)具有機(jī)器自動(dòng)抑制效果，因此人們常常對(duì)于這類事情的發(fā)生抱以忽略態(tài)度，或通過(guò)機(jī)器反饋，自我抑制。

但在實(shí)際操作中，傳感器如果出現(xiàn)故障，立刻就會(huì)蔓延到系統(tǒng)中，使原有設(shè)定好的系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。在此之前，面對(duì)傳感器故障問(wèn)題，人們常用硬件冗余的方法來(lái)解決，保證系統(tǒng)正常工作，且具有安全性。但這種方法也存在不足，如成本高，在原有基礎(chǔ)上使系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，工程操作比較困難。容錯(cuò)的關(guān)鍵就在于，能夠快速、可靠的檢測(cè)出傳感器故障。

檢測(cè)方法主要分為兩個(gè)方面：基于原理機(jī)理模型的方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法。由于非線性系統(tǒng)建立機(jī)理模型較不容易，僅僅用單一模型監(jiān)測(cè)所產(chǎn)生的殘差故障，容易產(chǎn)生誤差。

本文就非線性系統(tǒng)中的傳感器故障，提出一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的多模型故障檢測(cè)與軟閉環(huán)容錯(cuò)控制方案。

2 多模型傳感器故障檢測(cè)及軟閉環(huán)容錯(cuò)控制研究

2.1 多模型建立

模型故障的檢測(cè)基礎(chǔ)，就在于模型的精確建立，多模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與判決機(jī)制也是其中的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)階段多采用單一模型進(jìn)行故障檢測(cè)。

對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中，僅用單一模型進(jìn)行故障檢測(cè)，由于建筑存在誤差、外部干擾等不確定性因素，單一模型診斷信息不夠準(zhǔn)確，而造成檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)軟閉環(huán)反饋不那么可靠。

如果采用多模型融合算法，在故障檢測(cè)的同時(shí)，利用多個(gè)預(yù)測(cè)模型與實(shí)際傳感器輸出，以構(gòu)成多路殘差信號(hào)，增加故障檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高系統(tǒng)的整體性能。

2.2 殘差故障檢測(cè)

多模型故障檢測(cè)機(jī)制在進(jìn)行殘差信號(hào)進(jìn)行傳感器故障檢測(cè)時(shí)，比較預(yù)測(cè)輸出與實(shí)際輸出，以獲取多路殘差信號(hào)，一般情況下是存在建模誤差和擾動(dòng)等不確定因素的影響；當(dāng)傳感器故障時(shí)，殘差值會(huì)發(fā)生變化，不再為零（殘差信號(hào)是一個(gè)零均值的白噪聲序列）。

2.3 反饋切換與軟閉環(huán)容錯(cuò)控制

當(dāng)傳感器發(fā)生故障，屏蔽故障傳感器的信號(hào)，利用軟傳感器預(yù)測(cè)輸出來(lái)替代實(shí)際傳感器輸出，以實(shí)現(xiàn)軟閉環(huán)反饋；等待故障解決后，恢復(fù)以實(shí)際傳感器輸出作為反饋信號(hào)，送至閉環(huán)控制系統(tǒng)。

所以說(shuō)，為保證預(yù)測(cè)值獲取是高性能的、安全的，需要使用可靠且高精度的傳感器輸出。文中采用多路預(yù)測(cè)加權(quán)融合的方法（三路殘差信號(hào)中兩路或兩路以上），舉例說(shuō)明，假設(shè)檢測(cè)到傳感器已發(fā)生故障的對(duì)應(yīng)模型預(yù)測(cè)輸出 i（k），加權(quán)融合后作為軟閉環(huán)反饋信號(hào)。軟閉環(huán)反饋信號(hào)可表述為：

其中，N可以為2或3，表示有兩路或三路殘差信號(hào)越限； i（k）表示第i路已檢測(cè)出故障的對(duì)應(yīng)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)出；ai表示第i種模型預(yù)測(cè)輸出對(duì)應(yīng)的權(quán)系數(shù)，該系數(shù)可利用第二次函數(shù)優(yōu)化確定。

3 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中，不同生產(chǎn)條件下模型結(jié)構(gòu)或模型參數(shù)往往不同。對(duì)于一些比較復(fù)雜的系統(tǒng)，單一模型或多或少存在著自身的不足及一定的適用范圍，基于多模型的故障檢測(cè)及容錯(cuò)控制思想具有更現(xiàn)實(shí)的可應(yīng)用性。

因此，針對(duì)非線性系統(tǒng)中卡死、恒偏差、恒增益等常見(jiàn)傳感器故障，由于單一模型驅(qū)動(dòng)非線性系統(tǒng)較難建立精確激勵(lì)模型等問(wèn)題，相關(guān)專家人員研究出一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，多模型檢測(cè)傳感器故障、控制軟閉環(huán)容錯(cuò)手段。

為確保故障檢測(cè)的可靠性，建立了多系統(tǒng)的多個(gè)非線性預(yù)測(cè)模型，由此與實(shí)際傳感器輸出產(chǎn)生多路殘差信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)傳感器發(fā)生故障時(shí)，利用系統(tǒng)多個(gè)模型的預(yù)測(cè)值，優(yōu)化融合，為防止故障在閉環(huán)系統(tǒng)中蔓延，用多模型檢測(cè)系統(tǒng)替代物理傳感器的輸出，促進(jìn)軟閉環(huán)的容錯(cuò)控制系統(tǒng)的形成。

總而言之，多模型傳感器利用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的故障檢測(cè)，及較單一的軟件環(huán)容錯(cuò)切換機(jī)制方法故障檢測(cè)可靠性更高，容錯(cuò)性能更優(yōu)，在確保實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)在傳感器發(fā)生故障時(shí)仍可以安全、穩(wěn)定的性能運(yùn)行。

［1］ 李煒，張婧瑜. 多模型傳感器故障軟閉環(huán)容錯(cuò)控制研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2015，02：447～450+460.

［2］ 張婧瑜. 多模型傳感器故障軟閉環(huán)容錯(cuò)控制方法研究與應(yīng)用［D］. 蘭州理工大學(xué)，2014.

［3］ 蔡翔. NCS中傳感器故障軟閉環(huán)智能控制方法研究［D］. 蘭州理工大學(xué)，2013.

TP212；TP273

1009-797X （2015） 18-0104-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.040

周菲（1983-），女，畢業(yè)于南京師范大學(xué),研究方向?yàn)樽詣?dòng)化。

2015-08-09