摘要：随着我国经济的发展，电动执行器在现代大型工业、矿业中应用的也越来越广泛，成为保障生产、提高效益的重要关键因素。在整个计算机控制系统中，电动执行器的故障成为导致控制系统失效的主要原因。传统的电动执行器的故障诊断，往往集中于仿真层面，但是其效果并不实用。执行器作为控制系统的执行终端元件，对控制性能的影响非常重要，但由于工作环境多为高温高压和腐蚀性的恶劣环境，容易出现多种故障。及时发现执行器运行过程中的故障并采取合理措施解决，是保障自动控制系统安全稳定运行的基础。本文根据电动执行器的工作原理，分析电动执行器的故障发生特点，探寻适用的故障诊断方法。
关键词：电动执行器；工作原理；故障诊断方法
前言：电动执行器是以电动机为动力装置的位置式执行机构,是自动化控制系统的重要组成部分,通过调节介质流量实现工艺过程参数的控制,影响控制系统的安全平稳运行和品质的优劣。电动执行器一般被安装在高温、高压、高腐蚀的环境下，往往会产生各种故障，从而严重影响自动化系统的运行效率，甚至带来严重的生产事故。因此，对于电动执行器的故障诊断策略的研究是势在必行的，受到业界相关专家学者的广泛关注。电动执行器安装在生产现场,使用环境中的高压差、腐蚀性及振动容易导致执行部件的损耗,引发安全生产事故等,对电动执行器的故障诊断对控制系统的稳定性意义重大。
一、电动执行器的工作原理
电动执行器中的位置发送器实现减速器的输出位移与单片机识别电信号的转换,电信号作为位置反馈信号与伺服放大器的输入信号比较厚形成偏差信号,偏差信号大于伺服放大器的死区时,伺服放大器输出功率信号,驱动伺服电机的有效转动。偏差信号的极性决定执行机构的旋转方向朝向减小偏差的方向,实现偏差的减小,减小至伺服放大器的死区时,功率信号的输出停止,伺服电动机停止运转。执行机构位移到新的输出位置,与输入信号保持比例关系实现自动控制的目的,电动执行器的实质是伺服控制系统。
二、电动执行器的故障诊断方法
故障诊断是整合现代控制理论、计算机工程、信号处理、人工智能、应用数学、模式识别等学科知识的综合性技术,根据国际故障诊断观点,将所有的故障诊断方法分为基于知识的方法、基于数据驱动的方法和基于解析模型的方法。
2.1基于知识的故障诊断方法
基于知识的故障诊断方法通过专家知识、因果模型、故障症状举例、系统的详细描述来获得具体的诊断模型。故障诊断专家系统是专家系统的分支,是人们利用计算机技术将专家知识理论、故障信息知识、实际经验等信息知识融合,开发的智能计算机程序系统,可以根据执行器故障的描述及检测数据进行故障的诊断,常见的基于知识的诊断方法包括模糊推理法、人工神经网络法、模式识别方法等。
2.2基于数据驱动的故障诊断方法
基于数据驱动的故障诊断方法是直接利用过程数据的过程监控方法,实现的基础是对过程数据的有效采集,通过多元统计方法、频谱分析、小波分析等分析方法对数据中的隐含信息深度挖掘,将获得的理论成果快速的应用于实际工业生产中。数据驱动技术具有从高维数据向低维数据转化中获取重要信息的优势。需要工程师结合过程操作员的操作过程利用智能系统计算需要的统计数据,实现对过程监控系统的改善。基于数据驱动的故障诊断方法是高维数据分析处理的有效工具,采用多元投影方法实现质量数据和过程数据从高维数据空间到低维特征空间的投影,需要得到的特征变量在摒弃冗余信息后保持原始数据的特征信息。
常用的基于数据驱动的故障诊断方法包括主成分分析法、独立成分分析法、偏最小二乘法及Fisher判别式法,其中应用最广泛的是主成分分析法,多用来解决质量变量或过程变量的降维问题。该类方法依靠强大的理论依据保证了诊断的可靠性。
2.3基于解析模型的故障诊断方法
基于解析模型的故障分析是通过比较被诊断对象的可测信息和由模型表达的系统先验信息得到残差,并对残差进行分析和处理实现对故障诊断的技术。根据残差的产生形式分为参数估计方法、等价空间方法和状态估计方法。
参数估计方法是根据模型参数及相应的物理参数变化来分离和检测故障。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆电动执行器运行过程中发生故障时,参数估计故障诊断法将故障看做过程系数的变化,并导致模型参数的变化,应用合适的计算方式找出模型参数与物理参数的对应关系,且被控过程需充分激励,实现故障的检测和分离性能。
等价空间方法是利用系统的输入输出的实际测量值对过程数学关系的等价性进行检验,实现故障的检测和分离,数学关系可以表示过程的输入输出间的动态关系的瞬间冗余或传感器输出之间的静态代数关系的直接冗余。
状态估计方法是利用系统的可测信息和解析模型,实现被控对象的状态显示,并反应系统的运行状态,通过对系统状态的估计和适当模型的结合实现故障的诊断,选择检测滤波器,对系统中可测变量进行重建,分析处理滤波器的输出与正式系统的输出残差,从残差序列的判断中检测故障。
三、死区故障的诊断分析
死区故障可以分为两类，即自振荡故障以及死区太大故障。
一般来说，电动执行器的死区故障与触发器有很大的关系，当死区过大时，就可能导致执行器对于输入信号的跟踪效率不高，反映不灵敏。这样一来，就可能会导致执行器的阀门滞留在某一区域位置，也就是说这时执行器对调节器输出的小于死区范围的信号不再做出反应，系统对执行器失去了有效的控制，进而影响系统的控制性能。对于死区故障的诊断来说，主要可以通过观测反馈阈值信号以及输入信号。当反馈信号和输入信号的延迟已经超越了正常值时，就基本可以判断存在死区故障。
电动执行器死区故障的解决策略主要是通过对死区设定电位器进行调节，以便减小电动执行器内的死区范围。在调节时要注意，因为其调节方向是由大到小，因此要避免将死区调到过小，这样反而还会形成自振荡，此时电动执行器就会因为自振而难以正常运行，甚至导致电机过热烧毁，这就是自振荡故障。
因为电机在断电时会因为惯性惰走的缘故导致电机反转，如果电机转向反复变更的话，我们就可以说此时的自振荡故障较为严重。这种故障对整个系统的影响较为严重，必须今早解决。自振荡故障的表现也比较简单，即电动执行器的反馈信号变化非常频繁。
自振荡故障的解决方法一般为通过调节死区设定电位器增大死区范围，确保死区适度增加，以便于确保局部反馈Iβ值的增大。为了预防自振荡故障的发生，在平时可以改善自动措施以克服惯性惰走问题。
四、恒偏差故障的诊断分析
恒偏差故障主要是因为死区电流大于150μA，对于故障的诊断可以检测其偏差值是否已超过死区范围，且是否数值较为固定。此时，可以统计同一时间段内的输入与反馈信号的差值，当出现如下托所示，差值超过死区范围并且数值较为稳定时，我们就可以判断其属于恒偏差故障。恒偏差故障的解决策略为调节死区设定电位器，确保死区恢复为正常值。
五、恒增益故障的诊断分析
一般来说，执行机构输出的轴全程范围内的0至90度角的位移信号就会被位置发送器转换为4至20毫安的直流信号。当发生恒增益故障时，就会出现直流信号与角位移信号不对应的情况。对于电动执行器的增益值可以用以下公式计算：，其中△x表示阈位变化量，而△v表示输入指令变化量。有效解决恒增益故障的主要方法就是对电动执行器反馈电流0%和100%位置加以调节，以确保执行机构能够保证0%即4mA对应0度全关位置，100%即20mA满量程于90度的全开位置。这样，就能够确保执行器旋转角度与反馈电流之间达到相互对应的程度，也就解决了电动执行器恒增益故障的问题。
小结：总而言之，在当前的社会发展中，对先进技术的应用已经成为竞争力提升的重要保障。在电动执行器故障过程中就要能够结合实际进行分析，采用多样化的诊断方法对实际故障进行诊断，要能对执行器的工作原理以及电路图进行深入的分析，对故障的原因也要能进行总结，为电动执行器的故障最终解决打下基础。此次主要对电动执行器的工作原理以及故障类型进行了分析，然后分析了几种故障诊断的有效方法，希望能够有助于实际故障的解决。
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论文作者:曾应华
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/31
标签：故障论文; 死区论文; 方法论文; 电动执行器论文; 故障诊断论文; 信号论文; 数据论文; 《防护工程》2019年8期论文;