（模式识别与智能系统专业论文）单片机在执行器故障诊断的特征提取中的应用.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 在当今的自动化控制系统中执行器是导致故障发生的主要原因之一，由于执行器工 作环境的恶劣及其重要性，所以对于执行器故障的诊断就非常的重要。 本文以电动执行器为例，提出了一种使用单片机实现故障诊断的方法，首先详细的 阐述了电动执行器的工作特性及原理，在此基础上深入的分析了电动执行器的常见故障 的机理以及故障表现，然后通过故障实验验证了以上分析。针对恒增益故障的特殊性提 出了一种新的诊断方法。最后设计了以a t 8 9 s 5 l 单片机为核心的单片机系统实现了常见 故障特征量的数据采集，通过对数据的分析实现了电动执行器的故障诊断。 关键词：电动执行器；不灵敏度；故障诊断；a t 8 9 s 5 1 a b s t r a c t a c t u a t o ri so n eo ft h em a i nr e a s o n st h a tc a u s et of a u l to c c u r r e n c ei nt h e a u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m a tt h e p r e s e n t ， b e c a u s eo fa c t u a t o rw o r ka tb a d e n v i r o n m e n t a n di t s i m p o r t a n c e ， s oi ti s v e r yi m p o r t a n tt h a tf a u l t d ia g n o s i so f a c t u a t or t h i st e x tw i t he l e c t r i ca c t u a t o rf o re x a m p l e ，p u tf o r w a r dak i n do fm e t h o dt h a t m a k eu s eo fm c ur e a l i z a t i o nt of a u l td i a g n o s i s a tt h ef i r s td e t a i ls e tf o r t ht h ew o r k c h a r a c t e r i s t i ca n dp r i n c i p l eo fe l e c t r i ca c t u a t o r ，a tt h eb a s eo fd e p t ha n a l y s i s m e c h a n i s ma n dp e r f o r m a n c eo fe l e c t r i ca c t u a t o r t h e nv e r i f yo na b o v ea n a l y t i c a l t h r o u g ht h ef a u l te x p e r i m e n t d u et ot h es p e c i a lo ft h ec o n s t a n tg a i nf a i l u r e s ，t h i st e x t p u tf o r w a r dak i n do fn e wd i a g n o s i sm e t h o d a t1 a s td e s i g nt h em c us y s t e mt h a t w i t ha t 8 9 s 51m c uf o r t h ec o r e c a r r y o u td a t a a c q u i s i t i o n o ft h ef a u l t c h a r a c t e r i s t i c ，a c c o r d i n gt oo ft h ea n a l y s i so fd a t aa c q u i s i t i o no ft h ef a u l t c h a r a c t e r i s t i cr e a l i z et h ef a u l td i a g n o s i so ft h ee l e c t r i ca c t u a t o r z h a n gj i a n ( p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f m ap i n g k e yw o r d s ：e l e c t r i ca c t u a t o r ； i n s e n s i b i l i t yb a n d ； f a u l td i a g n o s i s ；a t 8 9 s 5 1 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 在当今的自动化控制系统中执行器是导致故障发生的主要原因之一，由于执行器工 作环境的恶劣及其重要性，所以对于执行器故障的诊断就非常的重要。 本文以电动执行器为例，提出了一种使用单片机实现故障诊断的方法，首先详细的 阐述了电动执行器的工作特性及原理，在此基础上深入的分析了电动执行器的常见故障 的机理以及故障表现，然后通过故障实验验证了以上分析。针对恒增益故障的特殊性提 出了一种新的诊断方法。最后设计了以a t 8 9 s 5 l 单片机为核心的单片机系统实现了常见 故障特征量的数据采集，通过对数据的分析实现了电动执行器的故障诊断。 关键词：电动执行器；不灵敏度；故障诊断；a t 8 9 s 5 1 a b s t r a c t a c t u a t o ri so n eo ft h em a i nr e a s o n st h a tc a u s et of a u l to c c u r r e n c ei nt h e a u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m a tt h e p r e s e n t ， b e c a u s eo fa c t u a t o rw o r ka tb a d e n v i r o n m e n t a n di t s i m p o r t a n c e ， s oi ti s v e r yi m p o r t a n tt h a tf a u l t d ia g n o s i so f a c t u a t or t h i st e x tw i t he l e c t r i ca c t u a t o rf o re x a m p l e ，p u tf o r w a r dak i n do fm e t h o dt h a t m a k eu s eo fm c ur e a l i z a t i o nt of a u l td i a g n o s i s a tt h ef i r s td e t a i ls e tf o r t ht h ew o r k c h a r a c t e r i s t i ca n dp r i n c i p l eo fe l e c t r i ca c t u a t o r ，a tt h eb a s eo fd e p t ha n a l y s i s m e c h a n i s ma n dp e r f o r m a n c eo fe l e c t r i ca c t u a t o r t h e nv e r i f yo na b o v ea n a l y t i c a l t h r o u g ht h ef a u l te x p e r i m e n t d u et ot h es p e c i a lo ft h ec o n s t a n tg a i nf a i l u r e s ，t h i st e x t p u tf o r w a r dak i n do fn e wd i a g n o s i sm e t h o d a t1 a s td e s i g nt h em c us y s t e mt h a t w i t ha t 8 9 s 51m c uf o r t h ec o r e c a r r y o u td a t a a c q u i s i t i o n o ft h ef a u l t c h a r a c t e r i s t i c ，a c c o r d i n gt oo ft h ea n a l y s i so fd a t aa c q u i s i t i o no ft h ef a u l t c h a r a c t e r i s t i cr e a l i z et h ef a u l td i a g n o s i so ft h ee l e c t r i ca c t u a t o r z h a n gj i a n ( p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f m ap i n g k e yw o r d s ：e l e c t r i ca c t u a t o r ； i n s e n s i b i l i t yb a n d ； f a u l td i a g n o s i s ；a t 8 9 s 5 1 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文单片机在执行器故障诊断的特征提取 中的应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：缒 日期： 掣夕 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鍪鍪 导师签名： 华北电力人学硕十学位论文 第一章 引言 1 1 所选课题的目的和意义 背景一：随着我国经济的快速发展，现代工矿企业设备日益朝向大型化、复杂 化、智能化发展。像大型火电厂这样的现代化生产过程，控制系统往往包括上百个 控制回路，传统的参数报警和连锁保护系统已经同益不能满足现代化生产过程的需 要。在当今计算机控制系统中，计算机的软件和硬件的可靠性和稳定性已经非常高， 而传感器和执行器已经成为控制系统失效的主要原因。据统计传感器和执行器的故 障占到总故障的8 0 左右。同时热工自动控制的特点是具有可修复性，有时对系统 工作能力的检查和缺陷的寻找要花费的时间占系统修复时间的9 0 【l 】。在这样的情 况下对于控制系统的故障诊断就显得尤为重要。目前在电厂中控制系统的故障诊断 还主要是由运行人员和检修人员来完成。这样的人工的故障诊断有着明显的弊端， 首先，从故障的发生到故障被发现有一段很长的时间，等到运行人员发现故障时控 制系统可能已经遭到严重的破坏。第二，当运行人员发现故障发生时并不能对故障 点进行定位，人工检测耗时太长，效率低。第三，无法对故障的提前预测。 背景二：在过去的2 0 多年的研究中，对于传感器故障的诊断方法的研究成果 和应用要明显多于对于执行机构故障的研究和应用。其中主要原因是：第一，针对 传感器故障的诊断方法的研究成果和应用明显多于对执行机构故障的研究与应用。 究其原因，从故障形式看，执行机构故障实际上是系统的输入型故障，而传感器故 障属于系统的输出型故障；在闭环控制系统中，执行器的故障往往被反馈控制作用 所掩盖，使得故障表现不明显；另外执行机构本身往往存在严重的非线性特性，如 饱和、死区、滞环等。相比而言，执行机构的故障诊断问题较传感器故障诊断要困 难些。执行机构故障的表现形式主要有：执行机构卡死、执行机构恒增益、自激振 荡、执行机构恒偏差、执行机构非线性特性恶化以及粘滞效应等【2 】。在大型复杂的 生产过程中，控制系统执行机构具有分布广、数量大、安装位置往往比较特殊等特 点，因此仅靠人力很难做到及时、准确、有效地发现和修复执行器故障【3 j 。所以， 对于执行机构的故障诊断就显得尤为重要。 背景三：信息技术的迅猛发展引起自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络 集成自动化系统为基础的企业信息系统。信息交换的领域从工业生产过程的决策层 管理层、监控层和控制层逐步延伸到现场设备。以单片机为核心的智能仪表步入生 产现场，使自动控制领域发生了巨大变革【4 】。智能仪表的测量精度高，补偿性能好， 便于调校，功能强大可靠，特别是智能仪表的通信能力，为自动控制系统提供了峰 实的基础。智能仪表的出现适应了工业控制系统向分散化，智能化发展的方向，因 l 华北电力人学硕十学位论文 此也必将成为自动化系统的发展的必然趋势【5 1 。 随着芯片技术的发展及智能技术的应用，诊断技术已经进入了一个新阶段即智 能化阶段，这个阶段诊断技术称为智能故障诊断【6 】。所以利用单片机和人工智能技 术的结合实现控制系统的故障诊断是一种切实可行的方法。而控制系统的故障主要 是执行机构和传感器。对传感器故障的研究已经比较成熟，所以本文主要是利用单 片机实现对执行机构故障特征量的数据采集，最后实现执行机构的故障诊断。 1 2 国内外研究动态 智能故障诊断系统是由人( 尤其是领域专家) ，当代模拟脑功能的硬件及其必要 的外部设备，物理器件以及支持这些硬件的软件所组成的系统。该系统以对诊断对 象进行状态识别与状态预测为目的。 基于建模处理和信号处理的诊断技术正发展为基于知识处理的智能诊断技术。 目前主要是基于专家系统的智能故障诊断技术和基于神经网络的智能诊断技术【7 】。 ( 1 )基于专家系统的智能故障诊断技术，是研究最多，应用最广的一类智能 技术，主要应用于那些没有精确数学模型或很难建立数学模型的复杂系统。经历浅 知识的第一代故障诊断专家系统。和基于深知识的第二代故障诊断专家系统。最近 出现了将两种方法结合使用的混合结构。 ( 2 ) 基于神经网络的智能诊断方法，神经网络具有的超高维性、强非线性等 动力学特性，使其具有原则上容错、结构拓扑鲁棒、联想、推测、记忆、自适应、 自学习、并行处理复杂模式等功能。带来了提供更佳诊断性能的潜在可能性。主要 有神经网络诊断系统，采用神经网络产生残差，采用神经网络评价残差，采用神经 网络作进_ 步的诊断，采用神经网络做自适应误差补偿，采用摸糊神经网络进行故 障诊断。 ( 3 )基于模糊逻辑的诊断方法。模糊逻辑的引入主要是为了克服由于过程本 身的小确定性、小精确性以及噪声等所带来的困难，因而在处理复杂系统的大时滞、 时变及非线性力一面，显示出它的优越性。 ( 4 )基于故障树分析的诊断方法 故障树分析( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 原本用于 可靠性设计，现己广泛应用于故障诊断。基于故障的层次特性，其故障成因和后果 的关系往往具有很多层次并形成一连串的因果链，加之一因多果或一果多因的情况 就构成故障树。 ( 5 ) 基于事例推理诊断方法实例推理( c a s e b a s e dr e a s o n ，简称c b r ) 是a i 中 新兴的一种推理技术，是一种使用过去的经验实例指导解决新问题的方法，其关键 是如何建立一个有效的实例索引机制与实例组织方式。 2 华北电力人学硕十学位论文 综上所述，依靠单一智能技术的故障诊断都有各自的优缺点，难以满足复杂系 统诊断的全部要求，因此，将多种不同的智能技术结合起来的混合诊断系统是智能 故障诊断技术研究的一个发展趋势。 动态系统的故障检测与诊断( f a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i s ，f d d ) 既是一门相对独 立发展的技术，也是容错控制的重要支柱技术之一，其理论与应用成果十分丰富。 基于解析冗余的故障诊断技术被公认为起源于1 9 7 1 年b e a r d 发表的博士论文及 m e h r a 和p e s c h o n 发表在a u t o m a t i o n 上的论文【弘1 0 】，他们提出了用解析冗余代替 硬件冗余，通过比较观测器的输出得到系统故障信息的新思想【】。 执行机构故障监测与诊断方法：现在的诊断方法主要有基于解析模型方法，基 于神经网络方法以及基于信号处理的方法【1 2 】。 第一基于解析模型的方法。基于模型的执行机构故障诊断是以基于观测器， 滤波器的状态估计的方法以及基于参数辨识的方法为核心内容。此方法需要建立被 诊断对象的较为精确的数学模型，但在实际中被诊断对象往往是非线性的难以建立 精确的数学模型。所以此方法仅适用于线性系统，对非线性系统的执行机构的故障 诊断应用较少【l 引。 第二基于神经网络的方法。神经网络具有诸多优点包括：具有自组织自学习 的能力，通过学习和训练获得输入和输出的内在联系；良好的非线性映射的能力； 容错能力具有处理噪声和不完全数据的能力；联想，记忆，推测功能；高度并行 处理能力。使得他在处理非线性问题和在线估计方面有很强的优势。神经网络用于 执行机构的故障诊断问题主要有如下形式：1 ) 用神经网络预测执行机构的正常工 作状态，利用神经网络高度非线性影射能力，训练神经网络来预测执行机构正常的 输出。2 ) 将神经网络和观测器技术相结合【l 4 1 。 第三基于执行器可测量信号冗余分析的方法。利用执行器可测量变量间的关 系构造冗余关系，同样可以检测执行机构的故障。优点是不需要建摸，在实际工程 中简单和实用【l 引。 执行机构的诊断方法很多但是在实际中应用较少。基于神经网络的执行器故障 诊断方法具有从样本中进行学习，归纳，推广的能力，特别是其强大的非线性建摸 能力，已经有所应用。实际系统往往存在非线性，执行器一般都具有非线性的特点， 因此采用神经网络进行诊断是一种比较可行的解决方法。在文献 1 6 得到了初步应 用。 1 3 所选课题研究的主要内容和重点 本课题研究的主要内容： 华北电力人学硕十学位论文 1 、对于电动执行器的工作原理进行深入的论述，并进一步分析了电动执行器 各部分的工作特性，为后面的故障实验做理论准备。 2 、分析了电动执行器各种故障的故障机理，并通过实验验证了故障分析。 3 、在实验过程中发现当恒增益故障发生时，如果只分析输出信号和反馈信号 将无法诊断出恒增益故障。针对恒增益故障的特殊性，通过深入分析故障发生的主 要原因，提出了一种诊断恒增益故障的新方法，即通过监控变送器的电位器w 3 的 阻值变化来诊断恒增益故障。 4 、最后设计了以a t 8 9 s 5 l 为核心的单片机诊断系统，通过故障实验选定了诊 断电动执行器故障的三个特征量即：输入电流、反馈电流以及电位器w 3 两端的电 压值。通过采集特征量的数据并进行分析，最终诊断出电动执行器故障类型。 本论文的重点内容是电动执行器常见的5 种故障的故障实验，以及针对恒增益 故障的特殊性提出的新方法。最后设计了单片机软硬件系统实现特征量的数据采 集，最终实现了电动执行器的故障诊断。 4 华，i 匕电力人学硕十：学位论文 2 1 引言 第二章电动执行器的结构及工作原理 执行器是构成自动调节系统不可缺少的重要部分。一个简单的调节系统由调节 对象、执行器、检测仪表以及调节器组成。执行器在调节系统中的作用就是根据从 调节器来的命令，直接控制能量或物料等被调介质的输送量，从而达到调节温度、 压力、流量等工艺参数的目的。由于人的操作被执行器所代替，所以执行器被形象 的称为实现自动化的“手脚”l i 。 执行器有狭义和广义定义之分，狭义的定义为：在控制信号作用下，按照一定 规律产生某种运动的器件或装置。其广义为凡是能利用物性( 物理、化学、生物) 法则、定理、定律、效应等进行能量转换与信息转换，并且输出与输入严格一一对 应，以便达到对对象的驱动、控制、操作和改变其状态的目的的装置与器件均可称 为执行器【l 引。 正是由于执行器的原理比较简单，在现实生产中人们往往轻视这一环节。其实 执行器安装在生产现场，长时问与生产介质直接接触，工作在高温、高压、强腐蚀、 易堵等恶劣的条件下，这就使得执行器经常发生故障。事实上执行器是自动调节系 统中最薄弱的环节。所以对于执行器的故障诊断就显得由为重要。本文正是基于 此以d k j 型角行程电动执行器为研究对象，介绍了电动执行器的机构，工作原理以 及常见的典型故障。并在此基础上搭建了以电动执行器专用调试实验箱为平台的故 障实验，并对实验数据进行分析，为以后的故障诊断做准备。 2 2 电动执行器的构成原理 执行器按照其执行机构使用能源的不同，可以分为气动执行器、电动执行器、 液动执行器。其中气动执行器和电动执行器应用最广。本文以电动执行器为例进行 分析，电动执行器有许多优点包括：能源取用方便，信号传输速度快以及传输距离 远等。 电动执行器一般由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是电动执行器的 推动部分，它按照调节器所给的信号大小，产生推力或位移；调节机构是电动执行 器的调节部分，它受到执行机构的操纵，改变阀心和阀座间的流通面积，调节流通 介质的流量。 电动执行机构根据配用的调节阀的不同，输出方式有直行程、角行程和多转式 三种类型，可以和直线移动调节阀，旋转的蝶阀、多转的感应调压器等配合工作。 华北- h 力人、颀十学忙论文 术文咀舶位移d l ( j 型电动执行器为例进行介绍，其电动执行机构采川机械连丰丁与调 竹机构连接起来，如图2 1 所示为实验所j 的d k j 型角行程电动执彳亍机 | 。 罔2 1d k j 型角行程电动执行机构外形闰 d j u 型角行程电动执行器由伺服放大器和执行机构两部分组成。伺服放大器 将输入信号，和来自执行机构位置发送器的反馈信号，进行比较，将二者的偏差进 行放大以驱动两相电动机转动，再经减速器减速带动输出轴改变转角。输出轴转 角的变化又经过位置发送器按比例的转换成相应的位置反馈电流，馈送到伺服放 大器的输入端。当，。与，偏差为0 时，两相电动机停止转动，输 h 轴稳定存与输入 信号相对应的位置上，由于d l ( j 电动执行机构是通过使，与，在数值上保持一致 来达到输出轴转角跟随输入电流，变化的目的，所以电动执行机构是一个由伺服放 大器和执行机构两个独立部分组成的闭合随动系统。电动执行机构的工作原理如图 2 2 所示。 ? 手动 r 一、1 w 伺服放大嚣_ 一 。厂 7 t ， 一一；一i 一一一一1 两相伺服 电动机一机： 、7 l 登：。 一。伸胃发鹾# 一一 电漉表 川m 艘 器 执行目l 构 酗22 电础执行机构的丁作原理嘲 电动执行机构输出轴转角p 与输人信号电流，之问的关系为 扫= 魁 ( 3 1 ) 其中一比例系数，丘= 9 肌4 。 华北电力人学硕十学位论文 电动执行机构的输出轴转角秒与输入信号电流，之间有一一对应的关系，输出 与输入之间的特征曲线如下所示： 度 9 0 6 0 3 0 024681 0m a 2 3 伺服放大器的特性分析 图2 30 i j 特性曲线 伺服放大器的结构原理方框图如下所示： 输 入 信 号 主l 口i 路( 2 ) ：，一， 图2 4 伺服放大器原理方框图 它由前置磁放大器、触发器( 1 和2 ) 和主回路( 1 和2 ) 组成。在伺服放大器 中，前置放大器将3 个输入信号相加并与反馈信号，相减并加以放大，然后转化成 电压信号，此信号经触发电路变成触发脉冲，激励控制主回路的可控硅，使可控硅 导通，从而使两相伺服电动机接通2 2 0 v 的交流电压而转动。如果前置磁放大器输 出电压u o 为j 下偏差信号，触发器1 动作输出触发脉冲，主回路l 导通，两相电动机 便按一定的方向转动；当前置磁放大器输出电压u o 为负偏差信号，触发器2 动作输 出触发脉冲，主回路2 导通，两相电动机便反方向转动；两组触发器和两主回路的 参数完全相同。当输入信号，与反馈信号，相平衡时，前置放大器输出为零，触 7 华北电力人学硕十学位论文 发器没有脉冲输出，电动机的电源断丌，电动机停转。 2 3 1 前置放大器的结构和工作原理 前置磁放大器的原理线路如图2 5 所示，它是一个具有内部负反馈的直流双拍 推挽式磁放大器。磁放大器的铁心由四个几何尺寸完全相同，并且材料也一样的环 状导磁体组成，并由i 、i i 和i i i 、分别组成两个单拍铁心，其材料是坡莫合金。 它利用铁磁材料的非线性原理，将电流转换成电压输出 2 0 1 。 i 严百1 一、i 笪f l 。 ) 葱芒i 甄觚 嚼篷车箸越 一；，生一藕反馈i f ，- l 二二斗d 凡 11 二! i 、。“8 ；孑一一一耍囊一攀局部反锤 一一一- ”0 一一：一 j | 塑d 8 丑。， 专风可d 5 l 寸j 畸刹粤丁 巨暑蔫- 图2 5 前置放大器工作原理图 如上图所示在每个交流绕组中均串联接入一只整流二极管( d 5 d 8 ) ，使流过 每个交流绕组的电流为半波整流。输出电流经负载电阻r 9 和r l o 回到变压器的中心 抽头，因此流过r 9 和r l o 的电流为全波整流电流i i 和1 2 。所以所以电阻r 9 和r l o 两输出端的电压u o 为两电阻上的压降之差。 即 = j 。玛一7 2 置。 ( 2 - 1 ) 其中r 9 和r l o 是等值的电阻，所以电压u o 能反映输入信号的变化。当输入信 号，与反馈信号，相平等时，输出电压u o 等于零，若不为零可调节电位器w l ，所 以w l 被称为调零电位器。局部反馈绕组将磁放大器输出电压在电位器w 2 上的一部 分压降进行负反馈，通过电位器通过电位器w 2 的调整，可以改变磁放大器的灵敏 度而又不致使电动执行机构产生自振荡，所以w 2 被称为灵敏度调节电位器。 华北电力人学硕十学位论文 2 3 2 触发器的作用及工作原理 触发器的主要作用是把前置放大器的输出电压转变成触发脉冲，以便主回路导 通，接通两相伺服电动机的电源。为了使得伺服电动机可逆运转，触发器由完全相 同的两套组成。如图2 5 所示i i 置放大器的输出端2 2 、2 1 以差动方式接到两个触 发器的输入端，控制触发器动作。当u o 输出为j 下时，触发器1 接受正信号不工作， 触发器2 接受负信号输出触发脉冲，使可控硅主回路2 工作，接通电机电源使其正 转；反之，当输出电压为u o 负时，触发器1 接受负信号输出触发脉冲使可控硅主回 路l 工作，接通电机电源使电机反转，此时触发器2 接受正信号不工作，无脉冲输 出。 电动执行器中所采用的触发器是并联晶体管触发电路。为了控制触发器的工 作，采用n p n 型硅晶体三极管与单结晶体管弛张振荡器并联组成可控弛张振荡器。 晶体三极管工作在饱和导通或截止状态，起开关作用。 触发器是由两组完全对称的单向晶体管脉冲触发器组成。它接受双向信号并以 双向信号输出，将前置放大器的输出电压u o 转换成随负信号输出8 0 0 1 0 0 0 h z 的 触发脉冲信号，分别触发两个可控硅交流开关，使两相伺服电机可逆运转。 2 3 3 伺服放大器的静态特性 伺服放大器的输入信号为i ，输出信号为两相伺服电机绕组的供电电压u ，考 虑整流二极管和可控硅管的管压降后输出电压u 2 0 5 v 。伺服放大器的传递方框图 参考文献【2 0 】图5 1 7 。当考虑磁放大器的回差和触发器的不灵敏度区，而忽略触发 器的移相触发( 即动态过程时) ，将参考文献【2 0 】图5 1 7 中的各特征曲线综合后可 得到伺服放大器的静态特性图。 ji u o n 两端电压 u 2 i 。l i l 2 、 r l i k 2 ；2 7 i 俘 i 叫 r i u l 1 ：篡喜k _ 吒 i i 电压p _ 吒 l 图2 6 伺服放大器的静态特征曲线 9 华北电力人学硕十学位论文 图中： 三：幽 ( 2 2 ) 2k u o 为触发器输出脉冲时的最小输入信号，也就是触发器的灵敏度；k 为磁放大 器的放大倍数；为触发器折算到整机输入端的不灵敏度。分析磁放大器的工况如 下： ( 1 ) 当( 2 2 ) i 2 时，磁放大器由于存在不灵敏度区，其输出u o = 0 ， 主回路可控硅s c r l 和s c r 2 均不导通，交流输出电压u l = 0 ，u 2 = 0 ； ( 2 ) 当2 i ( 2 2 ) 时，由于i 的变化还是小于磁放大器的回差，故u o 仍然没有变化，触发器2 继续触发脉冲龟， 可控硅s c r 2 导通，主回路的输出电压u ：2 0 5 v ，此电压加到o ，n 两端，使伺服电 机继续正转；当i 减小至i ( 2 ，2 ) 时，磁放大器的输出u o 开始减少，当 u o o 时，可控硅交流丌关s c r i 导通，电动机j 下转；当u o 1 所以，d k j 电动执行器的静念关系为： 轰古叫吖刎， 由以上分析可以知道电动执行器的静态特性具有良好的线性度，并且该线性度 主要由变送器的线性特性来保证。 2 6 本章小结 本章详细的分析了电动执行器的结构及工作原理，并深入分析了伺服放大器及 电动执行机构的工作特性。最后给出了电动执行器整机工作特性。 1 4 华北电力人学硕十学位论文 3 1 引言 第三章电动执行器故障机理分析及故障实验 在实际生产过程中电动执行器的常见故障主要有5 种即：恒增益故障、恒偏差 故障、死区太大故障、自振荡故障以及卡死故障；这一章将在前一章的基础上对电 动执行器的常见故障进行机理分析并分析每种故障的故障特点。随后从故障特性的 角度分析各种故障的故障表现。最后通过电动执行器的故障实验验证了分析。 3 2 电动执行器故障机理分析 电动执行器的故障机理分析：执行器的数学模型为( 忽略其动态过程) 【2 1 】： j ，= 口x + ( 3 1 ) 其中工和j ，分别为执行器的输入输出。口和为执行器的增益系数和零点误差。它们 是执行器误差的两个来源，口和对于不同的故障有不同的值。如图3 一l 所示： y m i n 图3 1 电动执行器的故障分析 图中矩形范围内直线b ，c 与执行器的一种故障相对应： ( 1 ) 直线a ( 口= l ，= 0 ) 表示执行器正常工作； ( 2 ) 直线b ( 口1 ) 表现为执行器的增益出现突变或缓变，此故障为工程中常 见。当口= 0 时即表现为执行器的卡死故障； ( 3 ) 直线c 表现为执行器出现的恒偏差故障。 下面对电动执行器的故障逐一分析： ( 1 )死区故障分为死区太大故障和自振荡故障。由第2 5 的分析可知电动执 行器的不灵敏度区大约为2 = 士1 5 0 a 。如果电动执行机构的不灵敏度区2 远远大 1 s 华北电力人学硕十学位论文 于1 5 0 a ，则会使执行器的输出信号不能很好的跟踪输入信号，这时执行器的阀门 很可能停留在某个远未达到要求的位置不动作。这种情况下在整个控制系统中，调 节器的输出信号不能对系统进行控制，这样就会造成控制系统控制性能的快速下 降。这种故障如果不能及时排除极易造成严重的生产事故。这种故障就是执行器的 死区太大故障。 如果电动执行机构的惯性较大或者不灵敏度区2 太小，将会使整机产生自激 振荡而无法正常工作，如参考文献 1 8 图5 3 5 所示电动机在t l 时刻断电，由于有 惯性惰走，再增大以致使，一，在t 2 时刻反向越过不灵敏区，从而导致电动机 接通电源反方向转动，输出角位移口减小，也减小。由于电动机的惯性惰走，当， 减小到t 4 时刻，；一j ，再次超越不灵敏区，使电动机接通电源又调换了转动方向， 如此反复使电动机的转向不断变更，这就是自激振荡。 ( 2 ) 恒偏差故障 当不灵敏度区超出1 5 0 “a 时就会出现恒偏差故障，故障表现为偏差超过死区范 围，数值比较固定。如图3 1 中直线c 所示。 ( 3 ) 恒增益故障 如图3 1 中直线b 所示恒增益故障发生时，故障描述：位置发送器将执行机构 输出轴全程范围o o 9 0 0 的角位移信号转换成与之成比例0 1 0 m a 的直流信号，此 信号反馈到伺服放大器的输入端。如果0 1 0 m a 的电流输出不能对应0 0 9 0 0 的角 位移，比如只对应o o 8 5 0 的角位移，此时就会出现恒增益故障。执行器的增益定义 为输出阈位和输入指令的比例关系。增益a 可定义为 口：坐( 3 2 )口= k j - = z 夕 其中缸为闽位变化量，d 为输入指令的变化量。这种故障将在第4 章作详细 的论述。 ( 4 ) 卡死故障有两种表现：第一种是在一段时间内，指令变化程度较大，而 反馈不随指令变化。第二种是当指令不变化时，反馈和角度也不变化，但反馈和指 令相差很大。这种情况在现场很容易判断，最主要的特征是反馈信号很长时间不发 生变化。直线b 当口= 0 时即表现为执行器的卡死故障。 由以上对于电动执行器常见的五种故障的分析，可以看出除去恒增益故障以 外，其余四种故障均能从输入信号和输出信号的变化可以判断出。以下的实验主要 是通过分析输入信号和输出信号的变化来验证以上故障分析。 1 6 华北电力人学硕t 学位论文 3 3 电动执行器故障实验 3 3 1 电动执行器故障实验平台 依据电动执行器的故障特点以及故障分析的结果，搭建了以电动执行器专用调 试实验箱( 如附录图1 1 所示) 为平台的故障实验。电动执行器的故障实验采用以 下实验设备进行搭建，实验设备如下； 1 z p e 2 0 3 0 q i i 型伺服放大器、d f d 0 9 型电动操作器各l 台 2 d k j 2 1 0 型电动执行器l 台 3 电动执行器专用调试实验箱1 台 4 电流表2 块 5 数字万用表、电压表各l 块 本实验的实验设备可以真实的模拟实际现场的工作状态，使得在这种状态下所 采集到的数据更加贴近实际。 3 3 2 实验前期的准备工作 电动执行器故障实验的前期工作包括：电动执行器、操作器、电流表以及电压 表在专用调试实验箱的连线，伺服放大器的调零，执行器不灵敏度区的调节等。 ( 1 ) 伺服放大器的调零是非常重要的实验环节，直接关系到整个实验的实验 精度以及实验误差的大小。调零的具体做法如下：利用伺服放大器专用调试实验箱 分别把电流表接入输入信号端和反馈信号端。接通电源后，将输入通道和反馈通道 输入电流信号分别置为5 m a ，打开伺服放大器后盖，用数字万能表测量放大器测试 棒t 1 ，t 2 间的电压应为o ，否则用螺丝刀调节图3 2 中的调零电位器( w 1 ) ，直到 t l ，t 2 问的电压为零伏。 ，：_ l 一 ! d s 图3 2 伺服放大器的原理图 1 7 华北电力人学硕十学何论文 ( 2 ) 不灵敏度区的调节，前面通过对电动执行器特性的详细分析，可知恒偏 差故障、死区太大故障以及自振荡故障与不灵敏度区变化有直接的关系。如果不灵 敏度区太大就会出现恒增益故障以及死区太大故障；如果不灵敏度区太小就会出现 自振荡故障。所以在实验过程中要经过多次调节才能使不灵敏度区为1 5 0 p a 。不灵 敏度区调节的具体做法如下：将输入电流信号和反馈电流信号都设置为5m a ，然后 使输入信号增加1