淺談伺服控制系統(tǒng)的故障檢測與診斷

     故障診斷技術(shù)是一門了解和掌握設(shè)備在使用過程中的工作狀態(tài), 確定其整體和局部是否正常，早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障及其產(chǎn)生原因, 能夠預報故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。近年來,由于系統(tǒng)出現(xiàn)故障而造成的重大人員傷亡和經(jīng)濟損失的事例不勝枚舉,例如1986年4月26日前蘇聯(lián)“切爾諾貝利”核電站4號機組發(fā)生爆炸事故，8噸多強輻射物質(zhì)傾泄而出，造成30多人直接死亡,320多萬人遭受核輻射的侵害,使15萬平方公里的土地受到污染。由于故障檢測診斷技術(shù)能夠保障生產(chǎn)正常運行、防止嚴重事故的發(fā)生、節(jié)約生產(chǎn)、維修成本等顯著特點,在現(xiàn)代化大生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用越來越受到人們普遍重視。國際故障診斷權(quán)威德國的P.M.Frank教授認為，所有的故障診斷方法可劃分為：基于解析模型的方法、基于數(shù)據(jù)的方法。本文在伺服系統(tǒng)下主要介紹這兩種方法的理論發(fā)展、實際應(yīng)用。

     伺服控制系統(tǒng)是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度及動力輸出的自動控制系統(tǒng)。如數(shù)控機床，進給伺服系統(tǒng)，位置伺服系統(tǒng)， 防空雷達控制，大型H鋼軌機伺服系統(tǒng)等等都是典型的伺服控制過程，絕大部分機電一體化系統(tǒng)都具有伺服功能，機電一體化系統(tǒng)中的伺服控制是為執(zhí)行機構(gòu)按設(shè)計要求實現(xiàn)運動而提供控制和動力的重要環(huán)節(jié)。

     1、 基于模型的方法      1.1 基于狀態(tài)觀測器的方法      這類方法實現(xiàn)伺服系統(tǒng)故障檢測一般分兩步:首先設(shè)計被檢測系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器，由系統(tǒng)的實際輸出和觀測器的估計輸出形成殘差; 再從殘差中提取故障特征參數(shù)并根據(jù)特征參數(shù)實現(xiàn)故障檢測。Frank的綜述文章基于狀態(tài)估計的方法給出了詳細的介紹和很多解決不同方案。狀態(tài)觀測器方法在伺服系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，研究了狀態(tài)觀測器在伺服振動抑制上的應(yīng)用。      1.2 基于等價空間的方法      等價空間方法是利用系統(tǒng)輸入輸出的實際測量值檢驗系統(tǒng)數(shù)學模型的等價性來檢測和隔離故障。主要有奇偶方程的方法、基于約束優(yōu)化的等價方程方法、基于具有方向的殘差序列方法隊等，但其中研究最多的是奇偶方程故障檢測方法。      1.3 基于參數(shù)估計的方法      參數(shù)估計方法是故障檢測技術(shù)中比較重要的一種方法, 這個方法直接基于系統(tǒng)辨識技術(shù),可以通過估計不可測過程參數(shù)和狀態(tài)變量來檢測過程故障。擴充了最小二乘法在數(shù)控機床伺服系統(tǒng)模型參數(shù)估計中的應(yīng)用和參數(shù)估計的具體方法。      1.4 魯棒故障診斷方法      如何使故障檢測系統(tǒng)對于模型誤差、干擾等不確定因素能夠具有較好的魯棒性，確保故障檢測系統(tǒng)在不確定因素影響下仍能準確檢測故障，是基于模型的故障檢測中的一個關(guān)鍵問題。主要方法有： 基于未知輸入觀測器的方法， 基于特征結(jié)構(gòu)配置的方法以及優(yōu)化性能方法。魯棒性研究在伺服系統(tǒng)中也有著非常深入的研究，等分別研究了魯棒性在硬盤兩極定位伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用。

     2、基于數(shù)據(jù)的方法      基于模型的控制理論和方法總是不可避免面對未建模動態(tài)和魯棒性這對孿生問題，這對孿生問題使得基于模型的控制理論和方法在實際中的應(yīng)用受到了很大的限制。而且數(shù)學模型的復雜結(jié)構(gòu)決定了控器的復雜結(jié)構(gòu),控制器的簡化和降階問題、魯棒性問題變成了不可逾越的設(shè)計問題。在理論的內(nèi)在發(fā)展，同時實際應(yīng)用的推動下，基于數(shù)據(jù)的故障檢測診斷的方法獲得了長足的發(fā)展。      2.1 基于信號的方法      基于信號的故障檢測與診斷采用信號處理的技術(shù)： 關(guān)系函數(shù)，信號模型辨識，譜分析，傅里葉變換，小波變換等。采用小波變換用在軋鋼領(lǐng)域，統(tǒng)計過程控制也是個發(fā)展比較好的方法，但是該方法對條件的要求比較嚴格， 如果數(shù)據(jù)不滿足要求，則得不到滿意的結(jié)果。做了基于小波理論的電液伺服系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的研究。      2.2 基于多變量統(tǒng)計的方法      現(xiàn)實生產(chǎn)中的過程往往受到多種因素的影響，如果忽略次要的因素，抓住主要因素就顯得尤為重要，主元分析就是一個很好滿足這個要求的工具。主元分析主要涉及Q測試過程，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展出獨立主元分析，偏最小二乘法等。       2.3 基于知識的方法       通過對控制過程的越來越深入地了解，該系統(tǒng)的某些特性已為我們所掌握，再做相關(guān)的工作就更加有效，形成了基于知識的故障檢測與診斷的方法，主要有因果分析，專家系統(tǒng)和分類法。因果分析利用故障樹等獲取故障的相關(guān)信息，專家系統(tǒng)是模仿人類的思維推理方式來做出判斷， 分類法通過獲得的數(shù)據(jù)和故障之間的關(guān)系來判斷故障情況。       3、 結(jié)論       伺服系統(tǒng)以其在實踐中的廣泛應(yīng)用而受到人們的關(guān)注，隨著故障檢測與診斷技術(shù)的不斷發(fā)展，在伺服系統(tǒng)上也能獲得更好的效果，基于數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的方法各自的優(yōu)缺點，如何使它們的優(yōu)勢得到發(fā)揮、缺點得到抑制，使得它們能相互支持、優(yōu)勢互補、相互完善將是未來的發(fā)展方向。