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摘 要：该文讲述了现场仪表控制系统中经常出现的故障，详细分析了传感器与执行器产生故障的原因，在此基础上，给出了主动补偿容错的控制策略。
关键词：现场仪表 补偿容错 策略研究
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0005-01
常规的控制回路是建立在一般的过程控制系统上的。回路之间相互配合，如果当中有一个部位出现问题，那么整个控制回路的作用就都会受到牵连，最严重的就是导致真个系统面临瘫痪。根据这个原理，科学、快速解决控制回路中出现的问题，可以保证整个控制系统的高效运行。但是对于连续作业系统来说，系统设备的维护和更换在一定程度上会影响到生产的进程，所以，根据主动补偿容错控制的思想对整个系统进行主动的容错控制，从而保证整个系统正常工作。
1 传感器出现故障描述
在现场实际的工业过程中，传感器由于外界环境的影响和自身的特点，会出现很多不一样的故障。例如：漂移故障、误差故障、精度不准确故障和完全故障。前三种故障出现故障的现象不明显，也而被成为软故障，很难被检测出来，这使得它们的破坏程度比完全故障——硬故障要严重。
传感器的控制属于多条线路输入、输出的非线性动态控制，其发生故障模型为：
x=f（x，u）+η（t-T）
y（t）=g（x，u）+（t）+B（t-T）F（x，u，t）
这上面公式中，x∈Rm，状态矢量；u∈Rm，输入矢量；f（x，u）属于系统的非线性模型；模型的不确定性由η（x，u）表示[1]。
2 执行器出现故障描述
整个系统控制回路的末端就是执行器。执行器对于整个控制系统的良好运行发挥着重要的作用。在工业工程中比较常见的执行器就是阀门。在工业生产过程中，一旦阀门出现故障或者操作方法不正确，就会导致工业生产不能正常进行，达到一定严重程度就会发生意外事故。与此同时，在控制系统中，许多关键部门的阀门不但价格昂贵，更换也很不方便，所以对阀门的故障分析就显得非常重要。
2.1 阀门控制原理
执行部门、阀门定位器、调节机构这三个部门组成了阀门。控制器的输出信号通过执行结构从展板成为控制阀门的推理，从而进一步完成了从推理向角位移信号的转变；位移信号通过调解机构对流通面积产生影响，进一步改变流体流量，从而改变流体流量。控制系统的作用通过阀门的定位器部分实现改善。定位器和阀杆位移量形成了控制系统的另一条回路控制，达到对摩擦力很好的克服作用。充分利用阀门的定位器和被控制的变量形成串级控制[2]。
2.2 閥门常见故障
根据阀门的机构可以把故障进行合理分类，分为一般外部故障、调节机构故障以及定位器故障等。例如：当整个系统的压力供给降低时，就会造成阀门的突变故障；当阀杆的活动范围超越正常阀杆的范围时，就会堵塞阀门，从而让阀门出现衰减故障。（如表1）
注：Hf表示阀杆移动范围；H0表示正常阀杆移动范围；fs表示故障强度；F0表示正常时阀的输出流量；Ff表示故障时阀的输出流量；Dbf表示故障时滞后环度；Xf表示故障时阀杆移动距离；Kwf表示故障时阀流量系数；Tlf表示故障时载体温度；Tl0表示正常载体温度；Kw0表示正常时阀流量系数[3]。
3 主动补偿容错控制策略
在复杂的控制系统中，负反馈和控制回路的交合会造成整个控制系统回路的故障扩大化，因此故障不会带来控制系统较大变化，根据这个原理，对闭环控制系统的在线故障调节很难实现。在工业生产过程中出现的故障很多可以预见，或者是一些故障经常发生。把全部故障根据故障特征建立相应的故障模型，通过科学、合理的主动补偿容错控制，处理以后存储在容错控制库里面。系统能够根据故障模块对工作进行诊断，判定出故障的位置，进一步采取措施隔离故障措施。所以，在工业现场，仪表仪器的主动容错控制得到了广泛的应用。由此推理，首先进行故障检测，找到控制容错方法，根据现场实际情况决定采用系统基础闭环控制或者是人机跟进监督管理等方法[4]。
系统基础闭环控制层是由传感器、执行器和信号转化、控制器组成的一般控制回路。其中计算机控制系统和集散控制系统比较常用。在现实生活中，工业控制线路采用常规控制回路占了90%以上。如果回路控制发生故障，那么整个系统都会受到牵连，因为回路和系统的多个线路都有联系。系统的基础闭环控制能够很好地稳定不良情况，但也会影响着故障的诊断和容错控制策略的进一步实施。对故障进行科学、有效诊断和主动补充容错的工作检查，利用自适应阀值和加权移动的平均残差检测方法，对整个系统的工作状态进行认真仔细检查。因为在整个系统之中不同性质的故障具有不同特征，所以应该采用不同的检测方法进行诊断。利用系统的模型预估值和系统的测量值之间的偏差之间安装控制策略协调器，这一调节工具。如果系统正常工作，系统就会自动采用正常的控制策略，如果系统发生故障，那么安装的容错控制器就会自动启动，通过对故障的判断，系统会把以前故障补偿容错制器切换到现阶段的控制，从而保证整个系统正常、高效运行。
随着科技的发展，现场仪表的主动补偿容错控制策略也越来越多。现阶段，我们在研究过程控制系统的主要特点和现实情况基础上，已经建立了多种传感器故障以及执行器故障的合理表述形式，让研究更加符合工业实际情况。因为工业生产过程的控制目标要求成本、能源消耗和环境效益等各项指标都能够符合要求，从而研究出能使工业生产综合效益达到最大化的主动容错控制策略。
参考文献
[1] 周东华，叶银忠.现代故障诊断与容错控制[M].北京：清华大学出版社，2011.
关键词：现场仪表 补偿容错 策略研究
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0005-01
常规的控制回路是建立在一般的过程控制系统上的。回路之间相互配合，如果当中有一个部位出现问题，那么整个控制回路的作用就都会受到牵连，最严重的就是导致真个系统面临瘫痪。根据这个原理，科学、快速解决控制回路中出现的问题，可以保证整个控制系统的高效运行。但是对于连续作业系统来说，系统设备的维护和更换在一定程度上会影响到生产的进程，所以，根据主动补偿容错控制的思想对整个系统进行主动的容错控制，从而保证整个系统正常工作。
1 传感器出现故障描述
在现场实际的工业过程中，传感器由于外界环境的影响和自身的特点，会出现很多不一样的故障。例如：漂移故障、误差故障、精度不准确故障和完全故障。前三种故障出现故障的现象不明显，也而被成为软故障，很难被检测出来，这使得它们的破坏程度比完全故障——硬故障要严重。
传感器的控制属于多条线路输入、输出的非线性动态控制，其发生故障模型为：
x=f（x，u）+η（t-T）
y（t）=g（x，u）+（t）+B（t-T）F（x，u，t）
这上面公式中，x∈Rm，状态矢量；u∈Rm，输入矢量；f（x，u）属于系统的非线性模型；模型的不确定性由η（x，u）表示[1]。
2 执行器出现故障描述
整个系统控制回路的末端就是执行器。执行器对于整个控制系统的良好运行发挥着重要的作用。在工业工程中比较常见的执行器就是阀门。在工业生产过程中，一旦阀门出现故障或者操作方法不正确，就会导致工业生产不能正常进行，达到一定严重程度就会发生意外事故。与此同时，在控制系统中，许多关键部门的阀门不但价格昂贵，更换也很不方便，所以对阀门的故障分析就显得非常重要。
2.1 阀门控制原理
执行部门、阀门定位器、调节机构这三个部门组成了阀门。控制器的输出信号通过执行结构从展板成为控制阀门的推理，从而进一步完成了从推理向角位移信号的转变；位移信号通过调解机构对流通面积产生影响，进一步改变流体流量，从而改变流体流量。控制系统的作用通过阀门的定位器部分实现改善。定位器和阀杆位移量形成了控制系统的另一条回路控制，达到对摩擦力很好的克服作用。充分利用阀门的定位器和被控制的变量形成串级控制[2]。
2.2 閥门常见故障
根据阀门的机构可以把故障进行合理分类，分为一般外部故障、调节机构故障以及定位器故障等。例如：当整个系统的压力供给降低时，就会造成阀门的突变故障；当阀杆的活动范围超越正常阀杆的范围时，就会堵塞阀门，从而让阀门出现衰减故障。（如表1）
注：Hf表示阀杆移动范围；H0表示正常阀杆移动范围；fs表示故障强度；F0表示正常时阀的输出流量；Ff表示故障时阀的输出流量；Dbf表示故障时滞后环度；Xf表示故障时阀杆移动距离；Kwf表示故障时阀流量系数；Tlf表示故障时载体温度；Tl0表示正常载体温度；Kw0表示正常时阀流量系数[3]。
3 主动补偿容错控制策略
在复杂的控制系统中，负反馈和控制回路的交合会造成整个控制系统回路的故障扩大化，因此故障不会带来控制系统较大变化，根据这个原理，对闭环控制系统的在线故障调节很难实现。在工业生产过程中出现的故障很多可以预见，或者是一些故障经常发生。把全部故障根据故障特征建立相应的故障模型，通过科学、合理的主动补偿容错控制，处理以后存储在容错控制库里面。系统能够根据故障模块对工作进行诊断，判定出故障的位置，进一步采取措施隔离故障措施。所以，在工业现场，仪表仪器的主动容错控制得到了广泛的应用。由此推理，首先进行故障检测，找到控制容错方法，根据现场实际情况决定采用系统基础闭环控制或者是人机跟进监督管理等方法[4]。
系统基础闭环控制层是由传感器、执行器和信号转化、控制器组成的一般控制回路。其中计算机控制系统和集散控制系统比较常用。在现实生活中，工业控制线路采用常规控制回路占了90%以上。如果回路控制发生故障，那么整个系统都会受到牵连，因为回路和系统的多个线路都有联系。系统的基础闭环控制能够很好地稳定不良情况，但也会影响着故障的诊断和容错控制策略的进一步实施。对故障进行科学、有效诊断和主动补充容错的工作检查，利用自适应阀值和加权移动的平均残差检测方法，对整个系统的工作状态进行认真仔细检查。因为在整个系统之中不同性质的故障具有不同特征，所以应该采用不同的检测方法进行诊断。利用系统的模型预估值和系统的测量值之间的偏差之间安装控制策略协调器，这一调节工具。如果系统正常工作，系统就会自动采用正常的控制策略，如果系统发生故障，那么安装的容错控制器就会自动启动，通过对故障的判断，系统会把以前故障补偿容错制器切换到现阶段的控制，从而保证整个系统正常、高效运行。
随着科技的发展，现场仪表的主动补偿容错控制策略也越来越多。现阶段，我们在研究过程控制系统的主要特点和现实情况基础上，已经建立了多种传感器故障以及执行器故障的合理表述形式，让研究更加符合工业实际情况。因为工业生产过程的控制目标要求成本、能源消耗和环境效益等各项指标都能够符合要求，从而研究出能使工业生产综合效益达到最大化的主动容错控制策略。
参考文献
[1] 周东华，叶银忠.现代故障诊断与容错控制[M].北京：清华大学出版社，2011.