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1、网络控制系统中通信故障诊断技术一、二、网络化控制系统及故障诊断问题1.什么是网络化控制系统网络控制系统（NCSs）是近年来发展形成的自动控制领域的新技术，是计算机网络、通信与自动控制技术结合的产物。随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业的信息集成系统正在不断壮大，而网络化控制是复杂控制系统和远程控制系统的客观需求。在工业中已成功应用几十年的传统控制系统，随着物理设备和系统功能的扩充，在很多方面已经达到了它的应用极限，而具有通用总线结构的网络系统，即网络控制系统NCS，则以其完整的体系结构，分布式的操作运行模式，相对独立又能很好互联的通信方式，节省的布线和信号可靠性，显示出种种优
2、点。然而在目前的市场上存在着多种网络控制系统并存的局面，国际标准化组织还难以将起统一。控制系统是一类由被控对象、控制器、传感器和执行器组成的复杂系统，而各个部件又是电子、机械、软件及其它因素的复合体。随着自动控制、微电子技术的发展，大量智能控制芯片和智能传感器的不断出现，网络控制系统已成为工业控制领域研究的热点。网络控制系统即网络化的控制系统，又成为控制网络，它体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化发展的趋势。网络控制系统是通过一系列的通信信道构成一个或多个控制闭环。集散控制系统(DCS)、工业以太网和现场总线系统(FCS)都属于网络控制系统的范畴。网络控制系统是将计算机网络集
3、成为控制系统取代传统的点对点有线连接,这使得系统成本降低、负担减轻、节约能量、安装与维护简化及可靠性高,因此网络控制系统广泛应用于工厂、军事、航天航空和智能建筑系统及其他场合。通过网络形成闭环的反馈控制系统称为网络控制系统(networkedcontrolsystems,NCS),其结构如图1所示.其特征是系统各组件(传感器、控制器、作动器)之间可以通过网络交换信息.NCS的主要优点是可以实现资源共享、具有高的诊断能力、安装与维护简单及增加了系统的灵活性和可靠性[1,2].将通讯网络引入控制系统使分析和设计变得非常困难,当NCS各组件之间通过网络传输信息时必然会引起网络诱导时延(包括传感器
4、-控制器时延和控制器-作动器时延),会降低系统性能甚至引起系统不稳定.控制器被控对象传感器执行器网络图1网络控制系统的思想就是应用一系列通信网络去交换分布系统中不同的物理元件之间的系统信息与控制信号。由于网络的特性，传统的控制理论诸如同步控制、非延时触发和制动控制等应用于网络控制系统之前必须作相应的修正。2.故障诊断的问题及故障的种类故障诊断技术[1]是一门综合性技术,包含了故障检测、故障分离、故障辨识等内容。故障检测就是判断系统中是否发生了故障以及检测出故障发生的时刻。故障分离就是在检测出故障后确定故障的类型和位置。故障辨识就是在分离出故障后确定故障的大小和时变特性。评价一个故障诊断系统
5、的性能指标主要有:故障检测的及时性;早期故障检测的灵敏度;故障的误报率和漏报率;故障定位和故障评价的准确性;故障检测和诊断系统的鲁棒性。2.1故障诊断的概念故障诊断是寻找故障原因的过程,包括状态检测、故障原因分析及劣化趋势预测等,是对系统发生的故障进行检测与隔离,给出一些故障源和故障严重程度的信息[2],它由故障检测、故障隔离和故障分析组成.在实际应用中,设计故障诊断系统,通常按步进行:(1)残差产生.残差经常被作为反映系统故障的信息,是指由被观测数据构成的函数与这些函数的期望值之差.为隔离不同类型的故障,需要设计出具有适当结构或适当方向的残差矢量.(2)残差估计.对故障发生的时间或故障的
6、位置进行推理、决策.(3)故障分析.确定故障的类型、大小和原因2.2 故障诊断的状况最早的故障检测通常采用仲裁技术或“有记忆表决”的方法.传统的诊断方法是通过一组检测信号,再由工程人员,进行分析判断,找出故障原因和发生部位,并采取相应的维修措施.随着计算机技术在控制系统中的应用,以软件为主体的故障检测与诊断(FDD———FaultDetectandDiagnostics)从20世纪70年代初开始发展起来.美国麻省理工学院Beard博士于1971年首先提出了用解析冗余代替硬件冗余,并通过系统自组织使系统闭环稳定,通过比较观测器输出得到系统故障信息的思想.这种基于解析冗余的FDD方法能根据系统
7、中不同部件在功能上的冗余性的特点,应用估计技术或其他算法来检测系统中某些部件的故障状态,具有性能好、功能强、成本低、易于实现等特点.进入了20世纪80年代之后,出现了基于数学模型的故障诊断.它是按照先验信息和输入输出关系,建立系统故障的数学模型,作为故障检测与诊断的依据[3].但控制系统变得越来越复杂,给数学模型的建立带来了很大的困难,并且所建立的数学模型也不够精确.近几年来,故障诊断技术进入智能化诊断阶段.专家系统[4
