前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的故障诊断与容错控制课程实验设计，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要:本文在介绍控制学科研究生课程“故障诊断与容错控制”的主要讲授内容基础上，结合学生需求和教学经验，设计了基于磁浮实验小车的悬浮系统故障诊断和容错控制实验系统，在介绍实验系统的原理、硬件和软件结构及其具体实现基础上，结合故障诊断、容错课程教学设计了综合实践环节。
关键词:故障诊断;容错控制;悬浮系统
0引言
故障诊断与容错控制是当前国际控制界的研究的热点问题之一，具有重要的理论与工程应用价值［1～2］。“故障诊断与容错控制”课程以航空航天、军事装备以及复杂机电磁系统为对象，面向控制学科、航空航天、机械等学科的硕士研究生，主要围绕控制系统的故障诊断与容错控制问题开展教学工作。通过本课程学习，使学生了解控制系统故障诊断与容错控制的本质、主要方法、难点与热点研究问题，掌握这该领域多年以来取得的主要成果以及近年来研究新动向，为将来从事更深入的研究工作打下坚实的理论基础。本文结合我校控制学科硕士研究生课程“故障诊断与容错控制”的教学需求和控制学科磁浮控制技术方向近40年的科研积累，设计了一套基于磁浮小车的故障诊断与容错控制实验系统，通过5年来的课程教学实践表明，该课程实验环节对提高学生对故障诊断与容错的理解有很大帮助［4～9］。
1课程主要内容
课程主要内容主要包括六大部分:①控制系统故障的模型化;②控制系统故障诊断的主要方法;③控制系统的被动容错控制;④控制系统的主动容错控制;⑤网络化系统的容错控制;⑥磁悬浮、导弹、无人系统等典型控制系统故障诊断与容错控制的案例分析。课程实践环节以悬浮小车悬浮控制系统为对象，研究悬浮控制系统的传感器、执行器的故障诊断问题，研究悬浮控制系统的容错控制问题，要求学员将所学到的线性系统故障诊断的方法进行灵活应用，可以采用多种故障检测方法，多种容错控制设计方法，进行仿真分析和实验研究。课程的实践环节具体设计如下［10］:(1)基于悬浮小车悬浮控制系统故障诊断方法的设计与实现:基于Kalman滤波器组的故障诊断方法提出的针对传感器的故障判别标准;基于强跟踪滤波器对执行器和传感器故障进行位置和程度的估计;基于全维状态观测器方法对电磁铁故障的程度进行判定;基于跟踪微分器对加速度计进行故障诊断。(2)基于悬浮小车悬浮控制系统主动容错控制方法的设计与实现:针对加速度的基于跟踪微分器的悬浮系统主动容错控制进行实验。
2磁浮车悬浮控制系统实验平台设计
2．1硬件平台设计
磁悬浮小车的悬浮系统包括三个悬浮点，每个悬浮点都具有代表意义，所以在实验过程中以这些悬浮点为研究对象，悬浮点包括传感器(间隙传感器、电流传感器、加速度计)、执行器(电磁铁)和斩波器。磁悬浮小车的组成示于图1。实验平台的工作原理是:传感器组实时采集悬浮间隙值以及电流值，然后将其传输到控制器中。经过一系列的转换计算，将控制量输出给功率驱动板，最后通过改变电流来稳定悬浮间隙。其中悬浮控制器包括控制板和功率驱动板，控制单元最主要的工作内容是通过控制算法对所收集的数据量进行解算，而其中央处理器则选取DSP28335这一型号的数字信号处理器。其中信号流通的方向为DSP将控制信号通过ADC芯片转化为数字芯片，然后将整合该输入信号、电压输出开关信号、悬浮高度指令信号、参数调整信号，将得到的信息通过DAC转化为模拟信号，再将其放大之后输出至功率放大模块，在信号传输的过程中，DAP也通过RS232将部分信息传输至上位机。
2．2软件设计
课程教学所设计的数据采集系统利用存储器直接存储控制与多通道缓冲串行口McBSP结合来完成数据传输工作，从而CPU可以与DMA数据采集并行进行，同时也可以处于正常状态。当CPU更新数据时，DMA已经将所需的新数据移动至指定的位置，从而达到了提高DSP运行效率的要求。在教学实验中，系统的采样时间为0．00/s，在数据处理模块中，主要利用跟踪微分器进行滤波处理。DSP数据采集与处理模块的程序流程图如图3所示［11］。系统实时采集传感器获取的数据并进行相应的处理后，便开始解算控制量。基于跟踪微分器的滑模控制算法设计过程中主要考虑系统的状态量处在开关曲线与两步可达区的位置，当系统状态处于不同的位置时，选取的控制量不同。
2．3悬浮控制实验
在实验过程中，实验平台上设定的悬浮气隙给定值为3mm。平台最终显示的悬浮间隙值是通过传感器获取的真实间隙叠加上参考模块的给定值，然后与给定输入值相减得到。在平台实验中，参考模块的设定值为3mm，在示波器中显示的悬浮稳定值在零值附近。在实验过程中，对系统施加的间隙干扰与负载变化干扰形式与大小一致，并且在无干扰情况下将基于PID的控制策略的控制参数调至最优状态，在施加干扰的过程中不改变系统的控制参数。
3基于Kalman滤波悬浮系统故障诊断实验
磁浮列车的单铁悬浮模型能够在一定程度上反应磁浮列车悬浮的特点，对该模型的研究也已经比较成熟，同时为了着重进行故障诊断理论方法的研究，直接将其连续线性化模型以0．5毫秒采样间隔离散化。其中状态向量分别为悬浮间隙、垂直速度以及电磁铁电流相对于稳态时的偏差值，u为输入电压相对于稳态电压的偏差值。由于所有状态都可测，因此C取单位矩阵。由于采用了闭环控制，任何一个传感器发生故障都会导致实际系统的系统矩阵发生变化，使得故障后系统模型与每个Kalman滤波器的模型均不符，因此由每个Kalman滤波器得到的残差统计特性都会发生变化，这样就不能实现故障定位。为解决上述问题，将系统的状态反馈看作外部输入，同时也输入到各Kalman滤波器，这样闭环系统就等效为一个开环系统，系统矩阵不变。对于执行器故障，由于单铁悬浮系统的执行器只有一个，该执行器一旦发生故障，各Kalman滤波器的残差的统计特性都会发生变化。在磁浮小车实验平台上进行执行器故障模拟，实验系统结构框图如图5所示。(1)在悬浮控制器中，处理器在时钟信号的驱动下按照等周期采样完成系统的悬浮控制运算;(2)启动系统的故障诊断算法;(3)利用CAN总线网络可以直接和上层的监控系统相连;(4)将故障诊断的信息实时传输到上位计算机中保存;(5)将传感器或执行器断开模拟故障情形，输出仿真结果。
4基于TD的悬浮系统容错控制实验
实际控制问题中涉及到许多对系统位置和运动的控制，在这些控制问题中，往往要测得系统的位置和速度信息进行反馈。如果可以得到间隙的微分信号，则间隙的微分信号与速度信号之间互为冗余，在这种情况下速度传感器故障之后可用间隙信号的微分来代替，实现容错。磁浮列车间隙传感器选择了硬件冗余，但是加速度计选用的是解析冗余，所以出现故障的几率相对更大一些。因此当加速度计在出现故障的时候，选择间隙微分得到的来取代加速度计积分得到的速度信号，实现信号重构。基于跟踪微分器的主动容错控制方案框图如图7所示［12］。(1)在任意时刻使得加速度计突然失效;(2)经过一段时间后迅速诊断出加速度计故障;(3)用间隙微分信号取代加速度积分信号以满足容错控制(其中跟踪微分器采用了fast)，输出仿真结果。
5结语
故障诊断与容错控制的实验教学可以有不同的形式、不同的背景，在授课的基础上让学生增加动手以及独立思考环节，更好地理解“故障诊断与容错控制”这门课程，也加强了教师与学员的课上互动性，也能够更及时地解决学员在课堂、实验中遇到的问题。本文旨在:(1)介绍基于磁浮列车的条件下让学员可以对应用背景与应用方法有更好的理解与实践作用，可以将其研究方法推广至航空航天领域，使控制系统更加完善，可以早日应用于实践，使得控制模型的稳定性得到提高;(2)降低其故障率，使其操作系统更加安全可靠;希望可以和更多有关故障诊断和容错控制的专家进行交流探讨，将其教学的实践意义得到完善，使得学员在学习过程中更好地将理论与实践相结合，为控制领域培养一批又一批的人才与实践者奠定了良好的基础。
参考文献:
［1］闻新，张洪钺，周露，控制系统的故障诊断与容错控制，北京:机械工业出版社，1998年第1版．
［2］周东华，DingX．容错控制理论及其应用［J］．北京:自动化学报，2000(06):788-797．
［3］张和洪．多自由度磁浮式精密定位平台悬浮控制技术研究［D］．长沙:国防科学技术大学，2015．
［4］张志洲．高速磁浮列车单铁悬浮系统的容错控制问题研究［D］．长沙:国防科技大学，2006．11．
［5］龙志强，张志洲，常文森．考虑传感器故障的磁浮系统容错控制仿真研究［J］．北京:系统仿真学报，2007，19(19):4469-4472．
［6］杨建平．传感器故障诊断的研究与应用［D］．保定:华北电力大学，2004．2．
作者:龙志强 罗婕 张和洪 单位:国防科技大学