多模型传感器故障软闭环容错控制方法与应用策略

周菲

（江苏省江都中等专业学校，江苏 江都 225200）

多模型传感器故障软闭环容错控制方法与应用策略

Tolerant control and application strategy of multi-model sensor fault soft closed loop

周菲

（江苏省江都中等专业学校，江苏 江都 225200）

随着工业系统的复杂日渐增加，系统安全与可靠性的要求也越来越高。而现代工业系统中丰富的数据储备与飞速发展的控制技术，提高了系统的安全性，也为系统的安全性提供了一定程度上保障。工业系统对为非线性，且传感器容易发生故障，基于数据驱动技术，提出多模型与单模型的传感器故障检测，及软闭环容错控制方案，并对各类传感器易发故障进行相应仿真及半实验实体研究。

传感器故障；软闭环容错控制；应用策略

0 引言

随着现代科技发展及自动化水平提高，现代控制系统越来越复杂，数据运行过程中，需要大量传感器做支撑，来保证系统能正常工作。但是，恶劣的环境，如高温、潮湿、高压、粉尘等。机器长时间在这种恶劣的环境下工作，很容易出现故障。

如果说故障出现在反馈系统中，所造成的影响就是已故障的传感器传来的反馈信号不会迅速传播，这将导致系统性能下降，以致于机器无法正常工作。

1 多模型传感器故障软闭环容错控制

容错控制方案。在过去，人们通常会认为，对于一般的小故障，环闭系统具有机器自动抑制效果，因此人们常常对于这类事情的发生抱以忽略态度，或通过机器反馈，自我抑制。

但在实际操作中，传感器如果出现故障，立刻就会蔓延到系统中，使原有设定好的系统无法正常运行。在此之前，面对传感器故障问题，人们常用硬件冗余的方法来解决，保证系统正常工作，且具有安全性。但这种方法也存在不足，如成本高，在原有基础上使系统的复杂性增加，工程操作比较困难。容错的关键就在于，能够快速、可靠的检测出传感器故障。

检测方法主要分为两个方面：基于原理机理模型的方法和基于数据驱动的方法。由于非线性系统建立机理模型较不容易，仅仅用单一模型监测所产生的残差故障，容易产生误差。

本文就非线性系统中的传感器故障，提出一种基于数据驱动技术的多模型故障检测与软闭环容错控制方案。

2 多模型传感器故障检测及软闭环容错控制研究

2.1 多模型建立

模型故障的检测基础，就在于模型的精确建立，多模型的数据驱动与判决机制也是其中的关键因素。现阶段多采用单一模型进行故障检测。

对实际系统中，仅用单一模型进行故障检测，由于建筑存在误差、外部干扰等不确定性因素，单一模型诊断信息不够准确，而造成检测结果实现软闭环反馈不那么可靠。

如果采用多模型融合算法，在故障检测的同时，利用多个预测模型与实际传感器输出，以构成多路残差信号，增加故障检测结果的准确性，提高系统的整体性能。

2.2 残差故障检测

多模型故障检测机制在进行残差信号进行传感器故障检测时，比较预测输出与实际输出，以获取多路残差信号，一般情况下是存在建模误差和扰动等不确定因素的影响；当传感器故障时，残差值会发生变化，不再为零（残差信号是一个零均值的白噪声序列）。

2.3 反馈切换与软闭环容错控制

当传感器发生故障，屏蔽故障传感器的信号，利用软传感器预测输出来替代实际传感器输出，以实现软闭环反馈；等待故障解决后，恢复以实际传感器输出作为反馈信号，送至闭环控制系统。

所以说，为保证预测值获取是高性能的、安全的，需要使用可靠且高精度的传感器输出。文中采用多路预测加权融合的方法（三路残差信号中两路或两路以上），举例说明，假设检测到传感器已发生故障的对应模型预测输出 i（k），加权融合后作为软闭环反馈信号。软闭环反馈信号可表述为：

其中，N可以为2或3，表示有两路或三路残差信号越限； i（k）表示第i路已检测出故障的对应系统模型预测出；ai表示第i种模型预测输出对应的权系数，该系数可利用第二次函数优化确定。

3 结束语

在实际工业过程控制系统中，不同生产条件下模型结构或模型参数往往不同。对于一些比较复杂的系统，单一模型或多或少存在着自身的不足及一定的适用范围，基于多模型的故障检测及容错控制思想具有更现实的可应用性。

因此，针对非线性系统中卡死、恒偏差、恒增益等常见传感器故障，由于单一模型驱动非线性系统较难建立精确激励模型等问题，相关专家人员研究出一种基于数据驱动的，多模型检测传感器故障、控制软闭环容错手段。

为确保故障检测的可靠性，建立了多系统的多个非线性预测模型，由此与实际传感器输出产生多路残差信号。当检测传感器发生故障时，利用系统多个模型的预测值，优化融合，为防止故障在闭环系统中蔓延，用多模型检测系统替代物理传感器的输出，促进软闭环的容错控制系统的形成。

总而言之，多模型传感器利用基于数据驱动技术的故障检测，及较单一的软件环容错切换机制方法故障检测可靠性更高，容错性能更优，在确保实际工业控制系统在传感器发生故障时仍可以安全、稳定的性能运行。

［1］ 李炜，张婧瑜. 多模型传感器故障软闭环容错控制研究［J］.计算机应用研究，2015，02：447～450+460.

［2］ 张婧瑜. 多模型传感器故障软闭环容错控制方法研究与应用［D］. 兰州理工大学，2014.

［3］ 蔡翔. NCS中传感器故障软闭环智能控制方法研究［D］. 兰州理工大学，2013.

TP212；TP273

1009-797X （2015） 18-0104-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.040

周菲（1983-），女，毕业于南京师范大学,研究方向为自动化。

2015-08-09