浅议一种诊断电动执行器恒增益故障的新方法研究与应用

发布时间:2011-04-18  点击数:2495

    在目前的计算机控制系统中,计算机软、硬件的可靠性和稳定性已经非常高,而传感器和执行器的故障成为控制系统失效的主要原因。以电动执行器为例,现有的故障诊断方法主要有基于解析模型和基于神经网络两种。前者是以基于观测器、滤波器的状态估计以及参数辨识为核心的,比较复杂且仅适用于线性系统,有很大的局限性。后者不需要建立复杂的模型,具有强大的非线性建模能力,但也存在许多缺点:①神经网络的权值、阈值对应的物理意义不明确;②软件的实现存在快速性和实时性问题;③硬件实现成本高,技术不完善等。

    本文针对电动执行器常见故障中比较隐蔽且不易判断的恒增益故障,提出一种不需要建立复杂的数学模型也没有复杂计算的诊断方法,通过确定变送器中电位器的阻值来诊断故障,并设计了用于现场测量电位器阻值的电路。

一、恒增益故障产生的原因

    1、电动执行器的数学模型

    忽略其动态过程,电动执行器的数学模型如图1所示,其表达式为

    y=ax+β    (1)

    式中:x为执行器的输入电流,即指令;y为执行器的反馈电流;α和β分别为执行器的增益系数和零点误差。α和β是执行器误差的2个来源,图1中直线a(α=1,β=0)表示执行器工作正常。

    电动执行器的常见故障有死区太大、自振荡、恒偏差、卡死和恒增益故障。死区太大故障表现为死区远远超过正常值150µA,输出不能很好地跟踪输入,从而使控制质量下降。自振荡故障是由于死区太小,使得整机产生自激振荡而无法正常工作。恒偏差故障是死区超出正常值,并且输入和输出总是相差固定的值(图1中直线c)。卡死故障主要表现为反馈信号很长时间不发生变化,故障特征非常明显也较容易诊断。恒增益故障是最难以察觉也最危险的故障,故障发生时,静态的输入和反馈信号无明显变化(图1中直线b)。恒增益故障得不到快速诊断和排除会导致控制系统调节品质的不断恶化。

图1 电动执行器的故障分析

    2、变送器的电路分析

    变送器是执行机构的主要组成部分,其作用是将电动执行器输出轴的转角线性地转换成0~10mA直流电流信号,用以指示阈位并实现整机的位置反馈。因此,变送器应具有足够的线性度和线性范围,才能使执行器的输出轴紧跟调节器的输出信号运转。变送器是由交流稳压电源、差动变压器、桥式整流电路、零点补偿电路和机械部分组成,其电路图见图2。

图2 变送器电路图

    由图2可知,当铁芯随凸轮转动而产生位移时,差动变压器就会有交流电压输出,经R32、C34滤除高次谐波,再通过D31~D34桥式电路整流得到直流电压,直流电压经电阻R33和C31滤波后输出。在直流输出回路中有热敏电阻Rt与电阻R33并联,用作环境温度补偿。为克服位置变送器的非线性区段,增设了零点补偿电路。变压器次级线圈输出经二极管桥路D35~D38整流,经电阻R31限流,构成补偿电路。

    3、电阻和电容器对增益系数的影响

    (1)在实际的生产过程中,温度增加会导致R33的阻值发生变化,但是有热敏电阻Rt作为温度补偿,使得这种变化对增益系数的影响很小。

    (2)在高温状况下,电容器中电子活动增加,可能导致电容漏电。但由于电容器总体性能比较稳定,这种温度变化引起的增益系数的变化也非常小。

    4、电位器阻值对增益系数的影响

    电动执行器整机传递方框图见参考文献的图3-21,由图可得

   

    式中:θ为输出角位移;ΣIi为输入信号,K0为前置放大器的放大倍数;K1为执行机构的传送比;Kf为位置发送器的转换系数。因为K0K1>>1,所以电动执行机构在正常状态下的静态关系为

   

    电位器的作用是对位置发送器的转换系数Kf(即增益系数α)进行调节。一旦其阻值RRP发生波动,执行机构的静态关系遭到破坏,位置变送器的满度值就会发生变化,进而导致了增益系数的变化,所以RRP的变化是发生恒增益故障的主要原因。由于电动执行机构工作环境恶劣,并且调节机构直接与介质接触,所以对RRP的实时监测就显得尤为重要。根据RRP就可以判断角位移的满度值是偏大还是偏小。

二、测定电位器阻值的实验

    1、实验过程

    在实验前将伺服放大器的调零电位器调整到正常范围内,并将伺服放大器灵敏度调整为150µA。实验步骤如下:

    (1)设定执行机构初始值

    将伺服放大器、操作器以及执行机构依照图3在实验箱上进行连线。接通电源,转动执行机构手柄使执行机构转角为全关,并使反馈电流If和输入电流Ii都为0mA。

图3 测量电位器阻值的原理图

    (2)测量电位器在正常状态下的阻值

    使执行机构输出轴旋转90°到全开状态,这时反馈电流应为10mA,否则调整电位器直到反馈电流达到10mA。在手动状态下将输入电流设置为9mA,把操作器由手动切换到自动状态,待状态稳定后记录下电流表IRP和电压表URP的数值。

    (3)设置故障并记录数值

    设置执行机构为全开状态时输出轴旋转80°、100°、70°、110°,依照以上方法进行实验并记录下数值,如表1所示。

表1 执行器不同输出角度下输入电流值和对应的电位器两端的电压

    2、实验数据的分析处理

    由表1计算得到执行机构不同输出角度下的RRP,如表2所示。

表2 执行器不同输出角度下电位器的阻值

    根据表2拟合的函数为

    y=0.1348x2-3.1015x-305.9158        (4)

    式中:x为满量程值;y为满量程下RP的阻值。当执行器的精度为1.5级时,RRP在正常情况下为478.5055~535.6442Ω。在此范围内,执行器的增益系数α能满足控制系统的要求。如果RRP超出535.6442Ω,α就超出了正常值范围,变送器会使控制系统发散,严重时会发生自振荡;当RRP小于478.5055Ω时α达不到正常值,控制系统的调节作用就会减弱。

三、实时显示电位器电阻的电路设计

    根据以上实验结果,设计了实时测量RRP的电路,见图4。电路的核心是ICL7106芯片,它是一种双积分A/D转换器。ICL7106的引入简化了电路并提高了电路的稳定性和准确性。电阻的阻值通过LCD显示器进行显示。图中VREF为反馈电压,C1可抑制低频干扰。

图4 测量电位器阻值的电路图

    由图4可知

   

    式中:Rx>>R1+R0,R0为导线电阻,可以忽略。另有R2和R3组成固定式分压器,以R3上的压降作为输入电压,其表达式为

   

    把R3=R1=10Ω,R2=990Ω(R2由560Ω和430Ω标准电阻组成),E0=2.8V代入式(6),则VIN=0.01E0=28mV。由式(5)(6)整理得

   

    最后把R1~R3的值代入式(7)中得到原理公式

   

    此电路可以测量2000Ω以内的电阻阻值。实际用于电动执行器的恒增益故障诊断时,只要将RRP代替Rx,即可实现对RRP的测量和显示,对照表2即可判断执行器是否发生故障以及满度值是偏大还是偏小。

四、结论

    1、通过分析仪器电路快速诊断故障的方法可以用于其它仪器仪表的故障诊断。
    2、下一步工作是通过单片机实现执行器的全部故障的诊断,这样的诊断将更加全面和准确。
    3、通过硬件电路测量电位器阻值容易实现,实时性好,能及时诊断恒增益故障,为排除故障节省了时间。