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在線傳感器突變信號(hào)的檢測(cè)與區(qū)分 (1)
發(fā)布者:suzhoujiuyu  發(fā)布時(shí)間:2012-08-31 08:46:48

關(guān)鍵字:傳感器 突變信號(hào) 小波變換
  在測(cè)控系統(tǒng)中,傳感器的輸出信號(hào)受多種因素的影響,常發(fā)生突變.這些突變點(diǎn)數(shù)值包含有重要的故障信息,準(zhǔn)確捕捉并區(qū)分導(dǎo)致這些突變點(diǎn)產(chǎn)生的原因,是傳感器故障診斷的關(guān)鍵.文獻(xiàn)僅依賴于傳感器的輸出時(shí)間序列來診斷傳感器的故障,把傳感器輸出信號(hào)的突變都?xì)w結(jié)于傳感器的故障.文獻(xiàn)的做法是對(duì)控制系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)分別進(jìn)行小波變換,當(dāng)小波函數(shù)可看作某一平滑函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)時(shí),信號(hào)的突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)于其小波變換的模極大值,由此檢測(cè)突變點(diǎn),并產(chǎn)生殘差序列和分析傳感器故障,并認(rèn)為傳感器輸出信號(hào)的突變是由于傳感器的故障或系統(tǒng)輸入信號(hào)的突變引起的.事實(shí)上,引起傳感器輸出信號(hào)突變的原因很多,除了系統(tǒng)輸入突變和傳感器本身的故障之外,還有過程擾動(dòng)、執(zhí)行器故障、控制器故障、被控對(duì)象及外部電磁場(chǎng)干擾等.在實(shí)際應(yīng)用中,上述傳感器故障診斷方法具有一定的局限性.通常,在工業(yè)過程控制中,被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)較大,不能響應(yīng)突變信號(hào)中的高頻分量.作者基于小波變換的頻帶分析技術(shù),探討分析導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)發(fā)生突變的原因,為在線傳感器的故障診斷與性能評(píng)估提供一種實(shí)用的分析方法.
  1 突變信號(hào)的產(chǎn)生及特征分析
  典型控制系統(tǒng)一般由控制器(Gc(s))、執(zhí)行器(Gv(s))、被控對(duì)象(Go(g),Gd(s))和傳感器((Gm(s))4個(gè)部分組成,其框圖如圖l所示.


  圖中X(s)為傳感器輸出(即控制系統(tǒng)被控參數(shù)的測(cè)量值).
  一般工業(yè)過程中的大多數(shù)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的時(shí)間常數(shù)較大,為了保證快速不失真地檢測(cè)其輸出信號(hào),傳感器動(dòng)態(tài)特性的時(shí)間常數(shù)相對(duì)較。
  系統(tǒng)(傳感器)的突變信號(hào)是指其輸出幅值和頻率突然以較大的速率增大或減小,且二者相互依從.
  1.1由輸入R(s)引起的突變
    由曲線可得該組合環(huán)節(jié)的截止頻率ωc≈1 Hz.
  曲線高頻段(ω>100ωc的區(qū)段)的特性由Gc(s),Gv(s),Go(s)中較小的時(shí)間常數(shù)決定,由于遠(yuǎn)離ωc,且以較大的斜率向-∞dB方向衰減,反映出該組合環(huán)節(jié)的低通濾波特性,形成了系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)中的高頻分量不能響應(yīng)的特點(diǎn).高頻段的特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)性能影響較小,但反映時(shí)域響應(yīng)不可能階躍變化。因而有延遲時(shí)間存在.高頻段直接反映了系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)中的高頻分量的抑制能力,其分貝值越低,抑制能力越強(qiáng).


  由于一般工業(yè)對(duì)象的時(shí)間常數(shù)To普遍較大,使得截止頻率ωc較小,因而在輸入R(s)突變時(shí),對(duì)象輸出Xo(s)及傳感器輸出X(s)的響應(yīng)突變信號(hào)的頻率分布較低,且頻帶較窄.
  1.2 由控制器、執(zhí)行器的故障及過程擾動(dòng)的突變引起的突變
  用同樣的分析方法,可以得出同樣的結(jié)論:由控制器、執(zhí)行器的故障及過程擾動(dòng)的突變引起的輸出響應(yīng)突變信號(hào)的頻率分布較低,頻帶較窄.
  1.3由外部強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾引起的突變
  一般認(rèn)為,傳感器能夠抗各種高頻電子(無線電,這里不予考慮)干擾.外部強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾一般不會(huì)引起被控對(duì)象輸出Xo(s)的變化,它常常通過電路耦合,直接引起傳感器輸出信號(hào)X(s)變化,而且一般是脈沖信號(hào).
  1.4由傳感器故障引起的突變
  傳感器故障分為突發(fā)型故障(abrupt)和緩變型故障(incipient),作者僅對(duì)突發(fā)型故障進(jìn)行分析.傳感器突發(fā)型故障主要有:偏差型故障、脈沖型故障、漂移型故障和周期型故障,不論那種突發(fā)型故障,都將直接導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)X(s)的突變.由于這些突發(fā)型故障是由于傳感器內(nèi)部元部件參數(shù)的突變引起,輸出X(s)響應(yīng)突變信號(hào)的頻帶較寬,不僅包含由低頻分量,還有一定的高頻分量,這是區(qū)別于由輸入信號(hào)突變、控制器故障、執(zhí)行器的故障及過程擾動(dòng)的突變引起的傳感器輸出X(s)響應(yīng)突變信號(hào)的顯著特點(diǎn),是本文中區(qū)分突變?cè)蚣斑M(jìn)行傳感器故障診斷的理論依據(jù).
  1.5被控對(duì)象故障引起的突變
  被控對(duì)象發(fā)生故障時(shí),突變信號(hào)的頻譜與傳感器的輸入頻帶密切相關(guān),當(dāng)傳感器的輸入頻帶較寬時(shí),突變信號(hào)中將含有高頻分量,但一般工業(yè)過程中使用的傳感器輸入頻帶較窄,突變信號(hào)中一般不含高頻分量.各種突變?cè)蚣捌湫盘?hào)特征見表1.


  2 基于小波變換的頻帶分析
  狹義的小波分析僅指多分辨率分析,廣義的小波分析則包括多分辨率分析和小波包分析兩部分,它們的關(guān)系如圖3所示.


  圖3中粗實(shí)線部分為多分辨率分解過程,小波包分解是小波變換的多分辨率分解的推廣,多分辨率分解只將尺度空間V進(jìn)行了分解,即

  而小波包分解將多分辨率分解中未分解的小波空間Wj進(jìn)一步分解.因?yàn)樾〔ǹ臻g劃分對(duì)應(yīng)著頻帶劃分,所以小波包分解可獲得更高的頻率分辨率.通常的頻帶分析大多是基于小波包分析的,但它在提高頻率分辨率的同時(shí),算法的復(fù)雜度也加大.作者從實(shí)際問題的需要出發(fā),選擇了基于多分辨率分析的方法,可以滿足要求.

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