网络控制系统的结构与故障诊断

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随着控制科学和网络技术的不断发展, 控制系统的规模越来越大, 分布也越来越广。基于网络, 对远程被控对象进行控制, 己成为控制科学中一个新的课题。网络控制系统的控制器与被控对象以及执行器、传感器之间通过网络连接, 按照网络协议传输信息, 以实现对被控对象的远程控制。网络控制系统打破了传统控制系统在物理空间上的限制, 使远程监控成为可能, 它将控制技术与网络技术相结合, 为工业控制和企业管理决策带来了一种全新的模式。

1 网络控制系统的结构与特点

网络控制系统中, 传感器与控制器之间以及控制器与执行器之间通过网络传输信息。其中, 传感器、执行器与网络的连接是单向的, 控制器与网络的连接是双向的。传感器采样被控对象信息后, 通过网络向控制器节点发送检测量, 控制器节点在接收到由传感器传来的检测量后, 根据自身的控制程序计算控制量, 并通过网络向执行器节点发送控制量。

目前, 比较常用的是基于总线技术架构的网络控制系统, 如以太网、控制网和设备网等。与传统控制系统相比, 网络控制系统具有如下优点:

(l) 能实现远程控制;

(2) 大大减少了系统的布线, 使控制系统物理结构简单化, 从而减少了系统集成的成本;

(3) 系统资源共享, 交互性好;

(4) 便于系统安装、维护和扩展。

2 典型的网络控制系统

2.1 时延网络控制系统

网络诱导时延是指由于网络的介入而使得控制系统的信息传输产生的时延。一般是指传感器到控制器以及控制器到执行器的传输时延, 网络节点部件的计算时延可以归到传输时延当中, 不影响对整个系统的分析。在大多数情况下, 网络诱导时延是时变不确定的。按照时延长短与采样周期的关系, 可以将其分为短时延和长时延。当网络诱导时延为短时延时, 构成了短时延网络控制系统。数据在这些中继设备中的等待时间会大大加长信息传输的时延, 导致时延可能大于系统的采样周期, 这就构成了长时延网络控制系统。

2.2 多包传输网络控制系统

网络控制系统中, 检测量、控制量等数据是以包的形式在网络中进行传输的。单包传输是指将待发送数据封装于一个数据包中, 一次性发出。而多包传输是指将待发送数据封装于多个数据包中, 分时发出。多包传输可以存在于传感器到控制器之间的网络当中, 也可以存在于控制器到执行器之间的网络当中。此外, 当系统中存在多个控制器、执行器和传感器时, 很难将所有的控制器数据或传感器数据用一个数据包一次性发送时, 也必须采用多包传输方式。因此, 多包传输网络控制系统既可以是单输入单输出对象采用多包传输的情况, 又可以是多输入多输出对象具有多个控制器、执行器和传感器的情况。

相对于单包传输网络控制系统来说, 多包传输网络控制系统要复杂得多。实际的系统采用单包传输还是多包传输应根据网络和被控对象的实际情况来决定。当网络中的单个数据包所能容纳的数据量较大时, 可以采用单包传输方式;相反的, 若单个数据包所能容纳的数据量较小时, 就应该采用多包传输方式。同时, 对于物理位置分布较广的多输入多输出控制系统或由多个子系统祸合而成的大系统, 其信息的获取和发送也只有通过多包传输来实现。

2.3 非线性网络控制系统

在目前的网络控制系统研究中, 为了考虑问题的方便, 通常假定被控对象为线性定常系统, 这是理想的情况, 在实际系统如航空航天、兵器工业、机器人制造等领域中, 被控对象往往是非线性系统。要使得网络控制系统的研究成果能在这些实际系统中得以应用, 迫切需要对非线性网络控制系统进行深入的研究。

对于非线性网络控制系统, 其建模和分析的复杂性远远高于线性网络控制系统, 因此, 无论是进行控制和调度方面的研究, 还是进行故障检测与诊断方面的研究。在实际当中, 非线性网络控制系统又是一个普遍存在的系统, 具有很高的研究和应用价值, 因此是一个急待研究的方向。

3 网络控制系统故障诊断方法

故障是指系统至少一个特性或参数出现了较大的偏差, 超出了可接受的范围。故障检测是利用输入、输出和状态等可测数据, 检测故障的发生并产生报警信号。故障诊断则是在系统报警后, 确定故障发生的种类和部位等。

总体来看, 诊断的方法大致分为三类:基于模型的方法、基于信号的方法以及基于知识的方法。基于模型的方法是最早发展起来的, 它一般需要系统的较为精确的数学模型。基于信号的方法对系统模型的精确度要求不是特别高, 而是利用信号模型来处理问题。基于知识的方法是伴随着系统的日益复杂化而出现的, 它特别适用于很难获得系统精确数学模型的情况。

3.1 基于模型的方法

这种方法可以分为状态估计方法、等价空间方法和参数估计方法三大类。这三种方法均是独立发展起来的, 但它们之间存在一定的联系。现己证明, 基于观测器的状态估计方法与等价空间方法是等价的。

状态估计方法是对系统状态进行估计, 通过比较状态的实际值与估计值, 从而产生残差, 再从残差中提取故障特征, 实现故障检测与分离。理论上讲, 当系统发生故障时, 残差应以确定性的偏移量出现。状态估计方法在线性系统和非线性系统的故障检测与诊断中都有应用。通常可以基于状态观测器或滤波器来进行状态估计, 如未知输入观测器法、卡尔曼滤波器法、自适应观测器法以及模糊观测器法等等。

等价空间方法是利用系统的输入、输出的实际测量值检验系统数学模型的等价性, 从而检测和隔离故障的一种方法‘等价空间方法主要包括几种具体的方法:奇偶方程的方、方向性残差的方法和约束优化的等价方程方法等。其中, 应用较多的是奇偶方程的方法和方向性残差的方法。参数估计方法根据参数变化的统计特性, 应用参数辨识来检测故障的发生, 一般不需要计算残差序列。

3.2 基于信号的方法

基于信号的方法通常利用信号模型, 如相关函数、频谱、自回归滑动平均等, 直接分析可测信号, 提取诸如方差、幅值、频率等特征量, 从而检测故障的发生。如近年来比较常见的基于小波变换的方法。

小波变换是80年代后期发展起来的应用数学分支, 具有许多优良的特性。基于小波变换的故障诊断方法无需对象的数学模型, 而是通过在变换后的信号中去除输入变化引起的奇异点, 则剩下的奇异点即为故障点。这种方法对于输入信号的要求较低, 计算量不大, 实时性较好, 且灵敏度高, 克服噪声能力强。基于小波变换的方法是最为常用的基于信号的故障诊断方法。

摘要：网络控制系统是基于数据通信网络构成的闭环控制系统。目前针对网络控制系统的研究现在己成为控制领域的一个热点问题, 本文介绍了网络控制系统的结构与特点, 然后对网络控制系统故障诊断常用的方法进行了讨论。

关键词：网络控制系统,结构,故障诊断