现场控制仪表的故障诊断与补偿容错控制系统0503..doc

现场控制仪表的故障诊断与补偿容错控制系统 The field control instrument failure diagnosis and compensation fault-tolerant control system 摘要：针对过程控制系统的实际问题，首先建立符合工业实际的多种传感器故障和执行器故障的合理描述模型，然后利用神经网络建模、自适应阈值方法研究了故障鲁棒检测与诊断问题，并设计了一种有效的工厂级主动补偿容错控制策略。 关键词: 现场仪表；故障诊断；补偿容错；控制系统 Abstract:Against process control systems for practical question, first establish industrial the various sensors failure and actuator a reasonable description of the model, and then use the nerve network modeling and thresholds method to study fault of robust detection and diagnosis and designed a good the factory level control strategy for compensation fault-tolerant. Keywords: field control instrument；Failure diagnosis；Compensation fault-tolerant；Control system 图分类号:TP273 文献标识码:B 0、引言 一般的过程控制系统基础层往往包含90%以上的常规控制回路，回路之间又存在关联耦合现象，一旦局部某一控制回路发生故障(例如，传感器故障或者阀门故障)，导致控制回路发生波动，性能退化，故障通过回路之间关联传递机制传播到相关回路，其性能也被退化，致使整个厂级控制系统出现波动，轻则导致产品质量下降，能耗上升，重则导致厂级控制系统瘫痪，发生安全事故。这时往往都是现场工程师，通过对故障现象分析，准确定位控制回路，并经过维护消除故障，整个工业控制系统恢复正常运行状态。因此，问题回路的有效定位是解决厂级范围控制回路性能降低退化的重要因素[1]。另一方面对于连续的流程工业生产线，其往往只是一年大修一次，因此对于一些性能衰退的设备或者故障设备，一时又难以进行维修或者更换，需要从控制补偿的角度提出主动容错控制方法，最大限度地将控制回路性能维持在正常状态。 1、故障现象的合理描述 工业过程目前绝大部分己采用了计算机控制系统，且以计算机控制的可靠性可以达到较高水平，随之而来的问题是执行器和传感器可靠性的不足。实际上，传感器和执行器的故障已成为导致控制系统失效的主要原因，据统计，80%控制系统失效，起因于传感器和执行器故障[2]。然而，传统控制理论的研究大多都是基于传感器和执行器工作正常的假设。因此，研究传感器和执行器的故障检测和容错控制问题有重要的理论和应用价值。另一方面，目前大部分故障容错控制研究中广泛采用了“二状态故障模型”，虽然这种描述可以简化故障诊断和容错控制的研究，但这种描述不能很好的反映实际的工程系统中所发生的故障现象。因此，如何建立合理的实际故障的解析模型是非常必要的。 1.1传感器故障的合理描述 1.1.1.传感器故障问题的描述 对于一个多输入多输出的非线性动态系统，其传感器故障数学模型描述为： 这里，x?是状态矢量； u?是输入矢量;f(x,u) ?表示系统的非线性系统模型(x,u)表示模型的不确定性;F(x,u,t) ?表示传感器故障函数；g(x,u)?表示系统的输出函数;表示测量的随机误差，或称自由噪声。通常自由噪声服从零平均值的正态分布，即，其中为自由噪声的方差，它主要是由于测量系统本身或测量过程本身的随机性造成的，是不可预期的。 1.1.2.传感器故障分类及其特性描述 在实际的工业过程中，传感器由于外界环境的干扰和其本身的特性，会发生许多种不同类型的故障，例如:偏差故障、漂移故障、精度下降故障和完全故障。前三种故障被称为“软故障”，而后一种故障被称为“硬故障”。软故障由于故障现象不明显，难于被检测，使得软故障在某种程度上比硬故障危害更大[3]。这四种传感器故障的解析模型可以被描述为: ①偏差故障:是指故障测量值与正确测量值相差某一恒定常数的一类故障，即: F(x,u,t)=b，b为常数 该类有故障的测量与无故障的测量是平行的只是两者之间相差一个常数b。 ②漂移故障:是指故障大小随时间发生线性变化的一类故障，其表示形式为: ，d为常数，为的故障起始时刻。 该类有故障测