机电控制系统故障诊断问题研究

1、机电控制系统故障诊断问题研究【摘要】 加强机电控制系统故障诊断问题的研究是非常有实际意义的工作。笔者结合多年来的工作经验，就机电控制系统故障诊断问题进行了研究，具有一定的参考意义。 【关键词】 机电控制系统 故障诊断 变频器 中图分类号：TM921.5文献标识码： A 文章编号： 【引言】 随着经济的发展和科技水平的不断进步，现代机电设备的功能越来越完善，自动化程度越来越高，但结构越来越复杂，维护修理费用也在不断上升，维修人员不足、手段落后与需要维护区域广泛、种类繁多的矛盾日益突显，因此加强机电控制系统故障诊断问题的研究非常具有实际意义。 机电控制系统的分类 机电控制系统分类的原则性非常强，根

2、据不同原则可分出不同机电控制系统。按照输出量分类：机电控制系统可以依据系统输出量的反馈分为开环式和闭环式两种机电控制系统，开环式机电控制系统是利用电机的转角和脉冲连保证精准度，所以精度比较低；闭环式机电控制系统要比开环式的构成复杂，而且精度高；对于系统的控制被外界造成的误差，与开环式机电控制系统相比，闭环式具备修正的能力。 按照控制信号的变量形式分类：机电控制系统按照控制器的方式不同可以分成模拟式和数字式。模拟式构造比较简单，而且实时性能很好，但是对于比较复杂的控制监督，模拟机电控系统目前还是实现不了；数字式和闭环式一样有着高精度的保证，相比较模拟式，它的灵活性能更强，对于监督系统异常状态的处

3、理功能强；按照系统输入信号的变化规律可以分为自动调节系统、随动系统和程序控制系统三种。自动调节系统也是定值控制系统，他控制的范围是系统的基本任务；随动控制系统可以精度复现系统的输入信号，这是随动控制系统的特点；如果有两个或者两个以上同时执行任务的系统机构，程序控制系统可以执行指挥每个环节的控制信号，使各部动作的执行依次有序。 机电控制系统故障类型 机电控制系统故障的产生和表现形式都有很大的差别，因为机电控制系统的结构和应用条件是不同的。机电控制系统比较常见的故障类型主要有以下三种： 硬件逻辑故障：硬件逻辑故障又可细致的分为永久性故障、间发性故障以及边缘性故障三种。永久性故障又称为硬故障，就是指

4、不可恢复的故障。其表现的形式是给定输入，就会出现重复性的错误响应。比如芯片或者器件内部无法修复，或者是开路和短路，这都属于永久性逻辑故障范畴；间发性故障又称为软故障，带有一定随机性和偶发性，最后也有可能转变成永久性故障。造成间发性故障的原因是因为计时有偏差或者是外部电器噪音等等，如果器件性能达不到设计要求也比较容易造成这种软故障；边缘性故障也会逐步变化成为硬故障，它是元器件老化影响边界值发生的一种故障，所以没有固定的逻辑值，比如时钟的前沿等一些指标的下降，或者是电源不稳定致使寄存器信息的丢失等都是边缘性故障中比较常见的故障。 软体故障：软体故障分为系统软件故障和应用软件故障。系统故障的原因是由

5、设计原因引起的，在系统的设计阶段对设计目标的构思和系统功能的了解不够，在运行以后比较容易出现这种故障。因此对于软件的设计一定要有一个精准的计划和方案以此来提高系统软件的可靠性；应用软件故障主要是由于输入错误而引发的，这种故障也有一定的随机性和偶然性。一般是在编写程序或者输入过程中产生的人为错误，所以要在输入时严格把守，增加一些应用软件的检测功能，是软件可以自动进行测试。这样才是抑制故障发生的途径。 干扰故障：常见干扰故障分为内部干扰和外部干扰。内部干扰就是由系统工艺、结构、线路设计、电源以及底线处理不当引发的故障，也可能是器件的性能变化引起的，内部干扰带有很强的随机性和偶发性。外部干扰就是指外

6、部装置串扰到内部装置的各种形式的干扰。比如一些闪电或者雷击等自然想象造成的干扰，或者是工业和用电造成的人为干扰。 机电系统的控制故障除了系统方面的，还包括机械部件和检测装置等引发的故障。比如在机构运行中，某些系统的齿轮被卡、电机断相运行或者监测装置失灵等一些故障，这些与上述控制系统的故障相比较，可观测性和可控性是比较容易查找和定位的。 机电控制系统故障诊断 故障诊治系统是一门新的学科，是提高机电系统综合性的技术。从理论上讲，无论故障的表现形式如何的错综复杂，都可以通过诊断技术以故障信号为依据，对各种故障进行分析和修复。 诊断技术内容 诊断就是将标准数据与测试的诊断结果相比较，然后确定故障的种类

7、和位置。在出现故障时，要迅速确定故障的位置和种类，评估出故障发生的原因，以便采取相应的措施。要根据故障的严重程度和类别来决定修复和补救的策略：在故障没有发生的时候，要对故障进行假设性的检测，比如故障会使输出变量、状态变量、残差变量，而且要观测模型参数、物理参数等是否存在变化的可能性，这是所有故障诊断方式都可以使假设诊断的条件。 故障诊断测试 故障诊断的测试通常有两种测试： 故障监测：是指在故障发生之前，诊断对象还处在一个工作的状态，这是一种在线测试，是为了预测故障或及时发现故障而进行的一种测试，这种情况称为故障监测。 实验性测试：是指在故障出现之后，为了可以迅速确定故障的种类和位置，对诊断对象

8、进行的一种测试，在测试的时候，诊断对象必须停止工作，这种情况称为诊断测试。 发展趋势 现代故障诊断的发展方向是与容错控制、冗余控制、监控控制和余度管理等可靠性系统设计相结合的，是实现主动维修策略、监测控制、容错控制、自治控制、可信性系统等设计中的一个关键。 解析余度管理 现代余度管理从硬件余度向综合余度和解析余度管理发展。20世纪70年代，随着计算机技术及其计算能力、可靠性的提高，现代控制理论的产生和发展，出现了以分析冗余取代物理（硬件）冗余的余度可靠性设计和余度管理思想。分析余度方式是利用状态估计、参数估计、自适应涟波、变量间值逻辑、统计决策理论和综合逻辑的信号处理技术，可以在电子电路或计算

9、机上实现。目前实施的余度管理方式还是综合方式，即包括硬件余度和解析余度。发展方向是分析余度。 可信性系统设计 由于现代机电自动化及控制系统的规模不断扩大、复杂性日益提高以及系统投资的巨大，人们迫切需要提高机电自动化及控制系统的可信性。因而有必要建立一个监控系统来监督整个自动化系统的运行状态，不断检测系统的变化和故障信息，进而采取必要的措施来防止故障的传播和灾难性事故的发生。而其前提条件是具有在线实时可靠检测和诊断故障的能力。因此，故障诊断是实现可信性系统设计的关键环节。可信性系统指集可靠性、有效性、可维修性和安全性为一体的系统。提高系统可信性的方法，即设计可信性系统的方法:(l）提高元部件本身

10、的可靠性(2）采用余度系统（部件），如硬件、软件和复合冗余结构；(3）采用基于FDIA 的容错和监控等控制系统。 鲁棒故障诊断 故障诊断的鲁棒性是所有故障诊断理论、方法和系统所面临的重要问题。鲁棒故障诊断（RFD）概念首次在基于模型的故障诊断方法中提出。日前能查到的鲁棒故障诊断研究都是基于控制系统数学模型的。特别需指出的是在整个机械系统中，包括液压系统、液压控制系统，还没有见到鲁棒故障诊断的研究报道。总的来说，RFD还是一新研究方向，是解决故降诊断实际应用的有效途径，是提高故降诊断系统性能指标的有效方式，同时将产生新颖有效的故降诊断理论和方法。 综上所述，要减少机电控制系统的故障，就要提高机电控制系统可靠性的保证，要在故障发生之前彻底消除，或者是降低故障的发生概率。不可避免的情况下，就要用诊断的技术及时发现故障的位置和类型，以缩短修理的时间和提高系统的有