电子专用测试设备故障诊断中容错控制系统

张小冰

（浙江东方职业技术学院信息传媒与自动化学院，浙江温州325000）

电子专用测试设备故障诊断系统研究的主要内容是测试设备故障控制单元设计[1]。在控制系统中，如果只是单纯的加大各个测试元件系数，则不可能提高系统可靠性，且该做法还会增加成本。合理、经济配置其它元件、采用容错控制系统，能够针对某个故障位置进行诊断[2]。容错控制系统的运用能够提高整个故障诊断效果。传统故障诊断存在故障诊断效果差、耗费时间长、容错控制能力弱等问题，不能满足专用测试设备的标准[3]。提出对电子专用测试设备故障诊断中容错控制系统进行设计。采用故障之前诊断与故障之后诊断方法分析设备磨损容错性质，分析设备出现故障时系统的反馈机理，利用综合冗余方法实现测试设备故障诊断容错有效控制。由实验结果可知，改进的故障诊断系统能够延长设备使用寿命，提高运行安全性。

1 系统基本结构

为解决电子专用测试设备故障发生的问题及造成的后果，采用两种方法进行诊断[4-5]：第一种是在故障发生之前，及时采取相应措施进行补偿或者减小故障的影响；第二种是在故障发生之后，充分利用冗余资源来代替电子专用测试的故障设备，确保设备能够正常运行[6]。故障诊断中容错控制系统基本结构如图1所示。

图1 故障诊断中容错控制系统基本结构

1.1 测试设备故障检测与诊断

电子专用测试设备故障诊断能够及时发现测试的故障，根据故障诊断能够确定故障类型、位置或者故障程度，并为容错控制提供必要的信息支持[7]。故障检测诊断的准确性和实效性能够直接影响电子专用测试设备故障的容错能力，目前主要采用数学模型对故障进行检测与诊断[8]。

1.2 测试设备故障控制与处理

诊断设备故障后，需要对不同故障源和特点进行容错处理，从而实现故障控制，如图2所示。

图2 设备磨损容错控制

由图2可知，根据设备性质采用耐磨性较高的材料，刀架轨道则使用耐磨性较低的材料[9]。在检测过程中，当刀架轨道发生磨损的时候，h会发生改变。通过位移传感器发出的指令，对丝杆和丝母的位移量进行弥补，实现设备磨损的容错控制基本结构。

2 基于Riccati型方程容错控制

该系统的状态方程为：

公式（1）中：W(t)为状态变量；P(t)为控制向量；A、B、C、D为维数矩阵；{A、C} 是可观测的。

Riccati型方程为：

其中：E≥0，R>0，R=Rt，E=VtV。

那么公式（2）中O具有以下性质：

1）如果{A、B} 可固定，那么对{V、A}进行检测的时候，O为唯一值且O≥0；

2）如果{A、B} 可固定，那么对{V、A}进行检测的时候，O为唯一值且O>0；

3）如果下列公式中k≥0.5时：

在公式（3）中λ(∘)表示矩阵任意的属性值。

如果R{λ(A)}<0，那么方程（2）只有唯一解，且O≥0；如果{A、B} 可固定，并且rankQ=n，那么方程（2）只有唯一解O>0[9]。

根据上述方程应充分考虑二次型目标函数：

其中：a>0，那么Q和R应该满足公式（2）中O的性质，那么得到最优状态反馈的矩阵为：

式中O的Riccati型方程解为：

并且K≥0.5。

当系统状态变量中传感器出现故障时，系统的反馈机理如图3所示。

图3 反馈机理

系统状态变量可以将直接测量到的数据转换为图3中的M故障矩阵：

若系统中的传感器完全失效，则M为0；若系统中的传感器正常，没有出现故障，则M为0。由此可将公式（6）转换为：

针对初始值Q0和R0采用逐步迭代的方法确定Q和R的矩阵，在大范围内搜寻最佳值，根据反馈矩阵获取的信息，使系统反馈控制能够满足不同测试设备故障模式，进而达到鲁棒容错控制的效果[12]。

3 故障容错控制系统的实现

针对故障容错控制系统的实现可以采用综合冗余的方法[10-12]。综合冗余就是将不同冗余资源进行综合运用，能够有效地提高电子专用测试设备的故障自治能力。

使用可实现的冗余资源对系统的硬件与软件进行设置。硬件冗余通过在测试设备关键位置引进多样的部件，选用备用部件对故障位置进行消除；软件冗余则是通过增加程序或者使用可将程序进行修改的控制容错方法来实现。在针对同一故障信息源的时候，可以使用不同软件进行识别与分析，经表决对执行结果进行决策，亦或通过修改容错指令进行故障补偿，将结构重置提高设备故障容错能力[13-14]。

通常情况下，硬件冗余量越大，该系统可靠性就越强，但存在弊端是其成本与体积会随之增加。对于设备修复，可采用双模或三模冗余方法；软件冗余通过软件来实现。综合冗余能够提高测试设备的容错能力，也能将冗余消耗殆尽[15-16]。在设备可靠情况下，最大程度控制资源的消耗，实现故障诊断容错控制低资源消耗系统的设计。

4 实 验

为了验证电子专用测试设备故障诊断中容错控制系统设计的有效性，进行了如下实验。

4.1 参数设置

为了验证改进系统容错控制效果，将公式（1）中的维数矩阵A、B、C、D进行设置，如下所示：

其中正常的M0=diag{1，1}，故障1为M1=diag{1，0}，故障2为M2=diag{0，1}，故障 3 为 M3=diag{0，0} 。将M0、M1、M2、M3代入，获得的矩阵为：

4.2 实验结果与分析

获取传感器故障下闭环系统的极点分布，如表1所示。

表1 不同故障点的闭环系统极点分布

传统系统中不考虑容错控制结果如图4所示。

图4 传统系统不考虑容错控故障诊断结果

由图4可知：传统系统不考虑容错控制情况下，当故障1发生的时候，传感器出现故障，此时容错控制能力大于正常值；当故障2发生的时候，转矩传感器发生故障，此时容错控制能力小于正常值。

改进的电子专用测试设备故障诊断中容错控制系统效果如图5所示。

图5 考虑容错控故障诊断结果

由图5可知：采用改进的容错控制系统对电子专用测试设备故障诊断，当故障1发生的时候，传感器出现故障，此时容错控制能力大致等于正常值；当故障2发生的时候，转矩传感器发生故障，此时容错控制能力也接近正常值。由此可知，相比传统系统，改进系统的故障诊断效果好、容错控制力强等优势。

将传统系统与改进的故障诊断容错控制系统中设备的使用寿命进行对比，结果如图6所示。

图6 两种系统设备使用寿命对比

由图6可知：当故障位置为1的时候，经过传统系统检测，该设备使用寿命仅为2个月，而经过改进的容错控制系统对故障检测，该设备使用寿命为5个多月；而当故障位置为2的时候，经过传统系统检测，设备使用寿命为3个月，而经过改进的容错控制系统对故障检测，该设备使用寿命为7个月。

由此可知：传统系统故障诊断不精确，很难将故障问题完全清除，导致设备使用寿命降低，而改进的容错控制系统对电子专用测试设备故障诊断能够将全部问题清除，延长设备使用寿命。

4.3 实验结论

传统系统容错控制力弱、故障诊断效果差，在系统性能方面远远不如改进的容错控制系统。传统系统故障诊断不精确，很难将故障问题完全清除，使设备使用寿命降低，而采用改进的容错控制系统对电子专用测试设备故障进行诊断，能够将全部问题清除，延长设备使用寿命。

5 结束语

对设备故障诊断容错控制系统进行设计研究，是电力测试设备故障诊断的重要研究课题。根据故障检测信息，利用容错技术对故障设备进行控制，可有效提高设备运行的可靠性与安全性。改进系统不但具有自动检测功能，还具有诊断、分析处理能力，可广泛应用于航空、航天、石油等各种领域的重要设备当中，能够产生显著的经济效益。

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