網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中通信故障診斷技術(shù)new

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1、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中通信故障診斷技術(shù)一、二、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)及故障診斷問題1.什么是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCSs）是近年來發(fā)展形成的自動控制領(lǐng)域的新技術(shù)，是計算機網(wǎng)絡(luò)、通信與自動控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。隨著自動控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)的信息集成系統(tǒng)正在不斷壯大，而網(wǎng)絡(luò)化控制是復(fù)雜控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的客觀需求。在工業(yè)中已成功應(yīng)用幾十年的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，隨著物理設(shè)備和系統(tǒng)功能的擴充，在很多方面已經(jīng)達到了它的應(yīng)用極限，而具有通用總線結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS，則以其完整的體系結(jié)構(gòu)，分布式的操作運行模式，相對獨立又能很好互聯(lián)的通信方式，節(jié)省的布線

2、和信號可靠性，顯示出種種優(yōu)點。然而在目前的市場上存在著多種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)并存的局面，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織還難以將起統(tǒng)一?？刂葡到y(tǒng)是一類由被控對象、控制器、傳感器和執(zhí)行器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，而各個部件又是電子、機械、軟件及其它因素的復(fù)合體。隨著自動控制、微電子技術(shù)的發(fā)展，大量智能控制芯片和智能傳感器的不斷出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域研究的熱點。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)即網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，又成為控制網(wǎng)絡(luò)，它體現(xiàn)了控制系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化、節(jié)點智能化發(fā)展的趨勢。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是通過一系列的通信信道構(gòu)成一個或多個控制閉環(huán)。集散控制系統(tǒng)(DCS)、工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)(FCS)都

3、屬于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的范疇。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是將計算機網(wǎng)絡(luò)集成為控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的點對點有線連接,這使得系統(tǒng)成本降低、負(fù)擔(dān)減輕、節(jié)約能量、安裝與維護簡化及可靠性高,因此網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工廠、軍事、航天航空和智能建筑系統(tǒng)及其他場合。通過網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(networkedcontrolsystems,NCS),其結(jié)構(gòu)如圖1所示.其特征是系統(tǒng)各組件(傳感器、控制器、作動器)之間可以通過網(wǎng)絡(luò)交換信息.NCS的主要優(yōu)點是可以實現(xiàn)資源共享、具有高的診斷能力、安裝與維護簡單及增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性[1,2].將通訊網(wǎng)絡(luò)引入控制系統(tǒng)使分析和設(shè)計變得非

4、常困難,當(dāng)NCS各組件之間通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信息時必然會引起網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延(包括傳感器-控制器時延和控制器-作動器時延),會降低系統(tǒng)性能甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定.控制器被控對象傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)圖1網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的思想就是應(yīng)用一系列通信網(wǎng)絡(luò)去交換分布系統(tǒng)中不同的物理元件之間的系統(tǒng)信息與控制信號。由于網(wǎng)絡(luò)的特性，傳統(tǒng)的控制理論諸如同步控制、非延時觸發(fā)和制動控制等應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之前必須作相應(yīng)的修正。2.故障診斷的問題及故障的種類故障診斷技術(shù)[1]是一門綜合性技術(shù),包含了故障檢測、故障分離、故障辨識等內(nèi)容。故障檢測就是判斷系統(tǒng)中是否發(fā)生了故障以及檢測出故障發(fā)生的時刻。故障分離就是在檢

5、測出故障后確定故障的類型和位置。故障辨識就是在分離出故障后確定故障的大小和時變特性。評價一個故障診斷系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有:故障檢測的及時性;早期故障檢測的靈敏度;故障的誤報率和漏報率;故障定位和故障評價的準(zhǔn)確性;故障檢測和診斷系統(tǒng)的魯棒性。2.1故障診斷的概念故障診斷是尋找故障原因的過程,包括狀態(tài)檢測、故障原因分析及劣化趨勢預(yù)測等,是對系統(tǒng)發(fā)生的故障進行檢測與隔離,給出一些故障源和故障嚴(yán)重程度的信息[2],它由故障檢測、故障隔離和故障分析組成.在實際應(yīng)用中,設(shè)計故障診斷系統(tǒng),通常按步進行:(1)殘差產(chǎn)生.殘差經(jīng)常被作為反映系統(tǒng)故障的信息,是指由被觀測數(shù)據(jù)構(gòu)成的函數(shù)

6、與這些函數(shù)的期望值之差.為隔離不同類型的故障,需要設(shè)計出具有適當(dāng)結(jié)構(gòu)或適當(dāng)方向的殘差矢量.(2)殘差估計.對故障發(fā)生的時間或故障的位置進行推理、決策.(3)故障分析.確定故障的類型、大小和原因2.2　故障診斷的狀況最早的故障檢測通常采用仲裁技術(shù)或“有記憶表決”的方法.傳統(tǒng)的診斷方法是通過一組檢測信號,再由工程人員,進行分析判斷,找出故障原因和發(fā)生部位,并采取相應(yīng)的維修措施.隨著計算機技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,以軟件為主體的故障檢測與診斷(FDD———FaultDetectandDiagnostics)從20世紀(jì)70年代初開始發(fā)展起來.美國麻省理工學(xué)院Beard博士于

7、1971年首先提出了用解析冗余代替硬件冗余,并通過系統(tǒng)自組織使系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定,通過比較觀測器輸出得到系統(tǒng)故障信息的思想.這種基于解析冗余的FDD方法能根據(jù)系統(tǒng)中不同部件在功能上的冗余性的特點,應(yīng)用估計技術(shù)或其他算法來檢測系統(tǒng)中某些部件的故障狀態(tài),具有性能好、功能強、成本低、易于實現(xiàn)等特點.進入了20世紀(jì)80年代之后,出現(xiàn)了基于數(shù)學(xué)模型的故障診斷.它是按照先驗信息和輸入輸出關(guān)系,建立系統(tǒng)故障的數(shù)學(xué)模型,作為故障檢測與診斷的依據(jù)[3].但控制系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜,給數(shù)學(xué)模型的建立帶來了很大的困難,并且所建立的數(shù)學(xué)模型也不夠精確.近幾年來,故障診斷技術(shù)進入智能化診斷階段.專

8、家系統(tǒng)[4