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摘要:本文在介紹控制學科研究生課程“故障診斷與容錯控制”的主要講授內容基礎上，結合學生需求和教學經驗，設計了基于磁浮實驗小車的懸浮系統故障診斷和容錯控制實驗系統，在介紹實驗系統的原理、硬件和軟件結構及其具體實現基礎上，結合故障診斷、容錯課程教學設計了綜合實踐環節。
關鍵詞:故障診斷;容錯控制;懸浮系統
0引言
故障診斷與容錯控制是當前國際控制界的研究的熱點問題之一，具有重要的理論與工程應用價值［1～2］。“故障診斷與容錯控制”課程以航空航天、軍事裝備以及復雜機電磁系統為對象，面向控制學科、航空航天、機械等學科的碩士研究生，主要圍繞控制系統的故障診斷與容錯控制問題開展教學工作。通過本課程學習，使學生了解控制系統故障診斷與容錯控制的本質、主要方法、難點與熱點研究問題，掌握這該領域多年以來取得的主要成果以及近年來研究新動向，為將來從事更深入的研究工作打下堅實的理論基礎。本文結合我校控制學科碩士研究生課程“故障診斷與容錯控制”的教學需求和控制學科磁浮控制技術方向近40年的科研積累，設計了一套基于磁浮小車的故障診斷與容錯控制實驗系統，通過5年來的課程教學實踐表明，該課程實驗環節對提高學生對故障診斷與容錯的理解有很大幫助［4～9］。
1課程主要內容
課程主要內容主要包括六大部分:①控制系統故障的模型化;②控制系統故障診斷的主要方法;③控制系統的被動容錯控制;④控制系統的主動容錯控制;⑤網絡化系統的容錯控制;⑥磁懸浮、導彈、無人系統等典型控制系統故障診斷與容錯控制的案例分析。課程實踐環節以懸浮小車懸浮控制系統為對象，研究懸浮控制系統的傳感器、執行器的故障診斷問題，研究懸浮控制系統的容錯控制問題，要求學員將所學到的線性系統故障診斷的方法進行靈活應用，可以采用多種故障檢測方法，多種容錯控制設計方法，進行仿真分析和實驗研究。課程的實踐環節具體設計如下［10］:(1)基于懸浮小車懸浮控制系統故障診斷方法的設計與實現:基于Kalman濾波器組的故障診斷方法提出的針對傳感器的故障判別標準;基于強跟蹤濾波器對執行器和傳感器故障進行位置和程度的估計;基于全維狀態觀測器方法對電磁鐵故障的程度進行判定;基于跟蹤微分器對加速度計進行故障診斷。(2)基于懸浮小車懸浮控制系統主動容錯控制方法的設計與實現:針對加速度的基于跟蹤微分器的懸浮系統主動容錯控制進行實驗。
2磁浮車懸浮控制系統實驗平臺設計
2．1硬件平臺設計
磁懸浮小車的懸浮系統包括三個懸浮點，每個懸浮點都具有代表意義，所以在實驗過程中以這些懸浮點為研究對象，懸浮點包括傳感器(間隙傳感器、電流傳感器、加速度計)、執行器(電磁鐵)和斬波器。磁懸浮小車的組成示于圖1。實驗平臺的工作原理是:傳感器組實時采集懸浮間隙值以及電流值，然后將其傳輸到控制器中。經過一系列的轉換計算，將控制量輸出給功率驅動板，最后通過改變電流來穩定懸浮間隙。其中懸浮控制器包括控制板和功率驅動板，控制單元最主要的工作內容是通過控制算法對所收集的數據量進行解算，而其中央處理器則選取DSP28335這一型號的數字信號處理器。其中信號流通的方向為DSP將控制信號通過ADC芯片轉化為數字芯片，然后將整合該輸入信號、電壓輸出開關信號、懸浮高度指令信號、參數調整信號，將得到的信息通過DAC轉化為模擬信號，再將其放大之后輸出至功率放大模塊，在信號傳輸的過程中，DAP也通過RS232將部分信息傳輸至上位機。
2．2軟件設計
課程教學所設計的數據采集系統利用存儲器直接存儲控制與多通道緩沖串行口McBSP結合來完成數據傳輸工作，從而CPU可以與DMA數據采集并行進行，同時也可以處于正常狀態。當CPU更新數據時，DMA已經將所需的新數據移動至指定的位置，從而達到了提高DSP運行效率的要求。在教學實驗中，系統的采樣時間為0．00/s，在數據處理模塊中，主要利用跟蹤微分器進行濾波處理。DSP數據采集與處理模塊的程序流程圖如圖3所示［11］。系統實時采集傳感器獲取的數據并進行相應的處理后，便開始解算控制量。基于跟蹤微分器的滑?？刂扑惴ㄔO計過程中主要考慮系統的狀態量處在開關曲線與兩步可達區的位置，當系統狀態處于不同的位置時，選取的控制量不同。
2．3懸浮控制實驗
在實驗過程中，實驗平臺上設定的懸浮氣隙給定值為3mm。平臺最終顯示的懸浮間隙值是通過傳感器獲取的真實間隙疊加上參考模塊的給定值，然后與給定輸入值相減得到。在平臺實驗中，參考模塊的設定值為3mm，在示波器中顯示的懸浮穩定值在零值附近。在實驗過程中，對系統施加的間隙干擾與負載變化干擾形式與大小一致，并且在無干擾情況下將基于PID的控制策略的控制參數調至最優狀態，在施加干擾的過程中不改變系統的控制參數。
3基于Kalman濾波懸浮系統故障診斷實驗
磁浮列車的單鐵懸浮模型能夠在一定程度上反應磁浮列車懸浮的特點，對該模型的研究也已經比較成熟，同時為了著重進行故障診斷理論方法的研究，直接將其連續線性化模型以0．5毫秒采樣間隔離散化。其中狀態向量分別為懸浮間隙、垂直速度以及電磁鐵電流相對于穩態時的偏差值，u為輸入電壓相對于穩態電壓的偏差值。由于所有狀態都可測，因此C取單位矩陣。由于采用了閉環控制，任何一個傳感器發生故障都會導致實際系統的系統矩陣發生變化，使得故障后系統模型與每個Kalman濾波器的模型均不符，因此由每個Kalman濾波器得到的殘差統計特性都會發生變化，這樣就不能實現故障定位。為解決上述問題，將系統的狀態反饋看作外部輸入，同時也輸入到各Kalman濾波器，這樣閉環系統就等效為一個開環系統，系統矩陣不變。對于執行器故障，由于單鐵懸浮系統的執行器只有一個，該執行器一旦發生故障，各Kalman濾波器的殘差的統計特性都會發生變化。在磁浮小車實驗平臺上進行執行器故障模擬，實驗系統結構框圖如圖5所示。(1)在懸浮控制器中，處理器在時鐘信號的驅動下按照等周期采樣完成系統的懸浮控制運算;(2)啟動系統的故障診斷算法;(3)利用CAN總線網絡可以直接和上層的監控系統相連;(4)將故障診斷的信息實時傳輸到上位計算機中保存;(5)將傳感器或執行器斷開模擬故障情形，輸出仿真結果。
4基于TD的懸浮系統容錯控制實驗
實際控制問題中涉及到許多對系統位置和運動的控制，在這些控制問題中，往往要測得系統的位置和速度信息進行反饋。如果可以得到間隙的微分信號，則間隙的微分信號與速度信號之間互為冗余，在這種情況下速度傳感器故障之后可用間隙信號的微分來代替，實現容錯。磁浮列車間隙傳感器選擇了硬件冗余，但是加速度計選用的是解析冗余，所以出現故障的幾率相對更大一些。因此當加速度計在出現故障的時候，選擇間隙微分得到的來取代加速度計積分得到的速度信號，實現信號重構?；诟櫸⒎制鞯闹鲃尤蒎e控制方案框圖如圖7所示［12］。(1)在任意時刻使得加速度計突然失效;(2)經過一段時間后迅速診斷出加速度計故障;(3)用間隙微分信號取代加速度積分信號以滿足容錯控制(其中跟蹤微分器采用了fast)，輸出仿真結果。
5結語
故障診斷與容錯控制的實驗教學可以有不同的形式、不同的背景，在授課的基礎上讓學生增加動手以及獨立思考環節，更好地理解“故障診斷與容錯控制”這門課程，也加強了教師與學員的課上互動性，也能夠更及時地解決學員在課堂、實驗中遇到的問題。本文旨在:(1)介紹基于磁浮列車的條件下讓學員可以對應用背景與應用方法有更好的理解與實踐作用，可以將其研究方法推廣至航空航天領域，使控制系統更加完善，可以早日應用于實踐，使得控制模型的穩定性得到提高;(2)降低其故障率，使其操作系統更加安全可靠;希望可以和更多有關故障診斷和容錯控制的專家進行交流探討，將其教學的實踐意義得到完善，使得學員在學習過程中更好地將理論與實踐相結合，為控制領域培養一批又一批的人才與實踐者奠定了良好的基礎。
參考文獻:
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［2］周東華，DingX．容錯控制理論及其應用［J］．北京:自動化學報，2000(06):788-797．
［3］張和洪．多自由度磁浮式精密定位平臺懸浮控制技術研究［D］．長沙:國防科學技術大學，2015．
［4］張志洲．高速磁浮列車單鐵懸浮系統的容錯控制問題研究［D］．長沙:國防科技大學，2006．11．
［5］龍志強，張志洲，常文森．考慮傳感器故障的磁浮系統容錯控制仿真研究［J］．北京:系統仿真學報，2007，19(19):4469-4472．
［6］楊建平．傳感器故障診斷的研究與應用［D］．保定:華北電力大學，2004．2．
作者:龍志強 羅婕 張和洪 單位:國防科技大學