摘要：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。本文就现场控制仪表的故障诊断与补偿容错控制系统进行探讨。
关键词：故障；补偿容错；控制系统
引言：
常规的控制回路是一般的过程控制系统的基础。回路之间相互祸合，当控制回路某一局部发生故障时，比如阀门发生故障，整个控制回路的性能都受到影响，严重的甚至使得整个控制系统瘫痪。基于此，快速有效的解决控制回路中出现的故障，能够提高整个控制系统的性能。
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。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。
①传感器故障的合理描述
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”。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。
（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。
（3）精度下降故障：发生精度下降故障时，测量的平均值并没有变化，而是测量的方差发生了变化。
（4）完全故障：完全故障时测量值不随实际变化而变化，始终保持某一读数。通常这一恒定值一般是仪表量程的最大或最小值。
②执行器故障的描述
执行器位于控制回路的终端，控制系统的控制性能与执行器的性能和正确有着直接的十分重要的关系。阀门是流程工业最常用的执行器，其使用不当或阀障引起的生产不能正常进行甚至造成事故的情况不胜枚举。另一方面在一个装置阀门的数量众多，一些关键部位的阀门价值昂贵且难于更换。
（1）阀门装置的基本结构
阀门由执行机构、调节机构和阀门定位器组成。执行机构将控制器输出信号转换成控制阀的推力，由推力力矩进一步转化为角位移信号;调解机构将位移信号转换为流通面积的变化，从而影响流体流量。阀门定位器可改善控制系统功能，与阀杆位移量组成副回路控制，克服摩擦力、不平衡力和回差干扰。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
阀门故障按照其机构可以划分为：调节机构故障、执行机构故障、定位器故障和一般外部故障。常见的故障大致可以归纳19种故障情况，同时列出了每种故障的类型及其数学描述模型。
在整个系统控制回路的终端是执行器。执行器对于整个控制系统的性能起着非常重要的作用。在工业工程中最常见的执行器是阀门。由于阀门的故障或者使用不当，经常使得工业生产不能正常进行，严重的甚至会发生事故。同时，控制系统中，很多关键部门阀门不但非常贵，并且更换也不方便，从而阀门的故障分析是非常重要的。
根据阀门的机构将其故障进行分类，可以分成了一般外部的故障，执行机构故障，调节机构故障，定位器故障等。例如当系统的压力供给下降时，造成阀门的突变故障;当阀门的阀杆传感器发生故障时，会造成衰减故障;当阀杆的移动范围超过正常阀杆的移动范围时，造成了阀门堵塞，使得阀门出现衰减故障。
2.主动补偿容错的控制方法
在复杂的控制系统中，控制回路与负反馈控制的祸合造成了在整个控制回路中故障的迅速传播，所以故障并不会造成控制系统的较大的变化，基于此，不容易实现对闭环控制系统的在线故障调节。工业工程中存在着很多可以预见的故障以及经常发生的故障。将这些故障构建基于故障特征的故障模型，通过合理的主动容错控制，并将其存储在系统的容错控制库中。系统可以根据故障模块对工作进行诊断，从而对故障的位置进行判断并隔离故障。因此，在实际工业工程中仪器的主动容错控制得到了越来越多的应用。基于此，构建基于故障检测，故障诊断以及主动补偿容错的控制方法。主动补偿容错控制方法包括:系统基础闭环的控制;故障诊断和补偿容错以及人机进行监督管理。
系统基础闭环控制是一个控制回路，由控制器，执行器，信号转换以及传感器构成。计算机控制，集散控制系统等是常用的基础闭环控制。事实上，在工业控制中，常规控制回路占了九成以上，当回路控制发生故障时，由于回路间的耦合关联，会造成整个系统受到影响。而系统的基础闭环控制能够稳定工况，同时，也会影响着故障的诊断和容错控制策略的实施。
故障诊断与补偿容错实现了工作的检测，故障的诊断以及主动补偿容错。利用自适应阑值和加权移动平均残差的故障检测法，对系统的工作状态进行检查。由于在整个系统中不同故障在各回路中传播方式不同，因此，可以多残差的描述故障特征对故障进行诊断。利用系统的模型估计值和系统测量值的偏差对故障进行描述。在系统正常的控制器和历史故障容错补偿库之间安装控制策略协调器。当系统正常工作时，系统采用正常的控制策略。一旦系统发生故障，那么系统的容错控制器被启动，通过对故障的判断与诊断，相应历史故障补偿容错控制器被切换到当前的控制，确保整个系统的正常运行。
结束语：
随着过程控制系统的自动化程度以及复杂程度不断提高，故障检测、诊断与容错控制成为现代过程控制系统的一个重要组成部分。
参考文献：
[1] 张宇声,孙丰瑞,于键. 故障诊断和容错技术在控制系统中的应用研究[J]. 海军工程大学学报. 2001(05)
[2] 齐俊桐,韩建达. 基于MIT规则的自适应Unscented卡尔曼滤波及其在旋翼飞行机器人容错控制的应用[J]. 机械工程学报. 2009(04)
作者简介：闫辉（1985-11），男，汉，籍贯：新疆哈密市，学历：大学本科，研究方向：电气自动化
论文作者:闫辉
论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/18
标签：故障论文; 回路论文; 控制系统论文; 阀门论文; 系统论文; 传感器论文; 执行器论文; 《电力设备》2017年第8期论文;