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溫度傳感器智能故障診斷和容錯估計

溫度傳感器智能故障診斷和容錯估計

作者:jzht    來源:未知    發布時間:2021-08-18 09:15    瀏覽量:

摘 要:針對控制系統中經常用到的溫度傳感器故障檢測問題,提出了一種智能故障診斷和容錯估計方法。首先,通過充分挖掘其歷史故障數據樣本及運行過程中的正常歷史數據的數據變化規律,建立故障診斷規則庫。其次,實時采樣相關傳感器數據,基于故障樣本規則庫實現各種故障工況的自動識別,并在故障工況下重構或估計出傳感器真實測量值,使系統能夠在傳感器故障工況下正常運行。最后,通過現場試驗驗證了所提算法的有效性。
 
0 引言
在自動控制領域中,傳感器把被測物理信號轉化成電信號,對監控系統的運行至關重要。當其出現故障時,將給后續的監測、控制、故障診斷等系統帶來嚴重影響。例如,在機車傳動控制系統中,溫度是表征設備工作環境與狀態的一個重要指標,如牽引變壓器油溫、牽引變流器水冷系統的入、出水口溫度傳感器溫度、柜體空氣溫度和牽引電機溫度等。如果溫度過高,需對機車進行減功率運行、斷主斷路器等保護動作,以保證設備的安全運行。牽引傳動系統裝置運行環境復雜,腐蝕、溫度、濕度以及電浪涌、靜電等因素都會影響其運行狀態。
安裝溫度傳感器時,接線錯誤或機車運行過程中的強烈振動,經常會導致傳感器故障(如斷線、短路、反接等)。此時,傳感器測量值將偏離真實值。如果測量值比真實值偏高,將導致系統誤動作,影響機車的正常運行。如果測量值比真實值偏低,將導致系統漏動作,對機車設備造成損害。因此,研究溫度傳感器的智能故障診斷以及故障工況下的溫度估計算法,以估計值代替實際測量值來進行系統保護,具有較高的應用價值。
本文以溫度傳感器的歷史故障數據樣本及正常歷史數據為基礎,提出了一種智能故障診斷和容錯估計方法。通過故障樣本特征分析建立傳感器故障判斷的規則庫,并得出故障工況的容錯估計方法。對于不可根據故障樣本重構的故障工況,采用傳感器的正常歷史數據建立傳感器測量值的灰色預測模型,從而實現不可隔離故障樣本的容錯估計。仿真結果和在列車牽引系統上的現場應用結果均證明了該方法的有效性。
 
 1 溫度傳感器信號采樣電路簡介
    熱電阻(例如PT100)是利用其電阻值隨溫度的變化而變化這一原理制成的,將溫度量轉換成電阻量的溫度傳感器。溫度測量電路通過先給熱電阻施加一個已知激勵電流再測量其兩端電壓的方法得到電阻值(電壓/電流),并將電阻值轉換成溫度值,從而實現溫度測量。
    熱電阻與溫度測量電路之間有三種接線方式:二線制、三線制和四線制。由于四線制測量方式不受連接導線的電阻的影響,在現場得到了廣泛的應用。絕大多數機車傳動系統中也采用了此接線方式。因此,本文以四線制接法的溫度傳感器為例,研究其信號采樣電路原理、故障診斷及容錯估計方法。
典型的溫度信號采樣原理如圖1所示
圖1中,PT100兩端通過A1、A2兩端接入4.9mA恒流源,然后溫度信號采樣電路通過B1、B2得到其差分輸人電壓U1n.U.經過電壓跟隨器生成單端電壓信號U.',然后進入同相比例運算放大電路生成滿足控制單元模數轉換器(analog to digital converter,ADC)采樣所需的電壓信號。
    若設同相比例運算放大電路的放大倍數為K,則溫度傳感器(PT100)采樣溫度值T與溫度信號采樣電路輸出電壓值U之間的關系如式(1)所示。
U=(0.385T+100)x0.004 9K(1)
 
2 溫度傳感器智能診斷和容錯估計方法原理
傳感器原始信號通過信號采樣電路后,進入控制單元的智能診斷與容錯估計模塊。首先,根據傳感器信號采樣電路參數對信號有效性進行判斷。若判斷正常,則輸出傳感器信號測量值作為真實值。若判斷異常,則進入故障診斷模塊。故障診斷模塊根據故障樣本規則庫中的相關規則和輸入信號,判斷出當前故障類別。若故障為可重構類型,則直接計算出傳感器信號的重構值作為真實值;反之,則進入灰色預測模塊?;疑A測模塊根據正常歷史數據對當時測量值進行估計,得出傳感器信號的估計值作為真實值。
 
3 結論
本文通過各種故障工況的數據樣本和正常歷史數據,在分析其數據規律的基礎上,結合專家系統和灰色預測模型相關理論,提出了一種溫度傳感器典型故障的自動識別和容錯估計方法?,F場試驗表明,該方法原理簡單、實現方便、性能優越,具有良好的工程應用價值。

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