控制系统可靠性技术及其应用研究.pdf

浙江大学博士学位论文控制系统可靠性技术及其应用研究姓名：张永康申请学位级别：博士专业：工业自动化指导教师：孙优贤19980601浙江大学博士学位论文摘要V＼j ， ，随着控制理论和微电子技术的不断发展，计算机控制系统在工业控制领域得到越来越广泛的应用建立在计算机技术、通讯技术、控制技术和C R T 技术基础之上的集散型控制系统( D C S ) ，由于其控制分散、管理集中、易于扩展的特点，正逐步取代集中控制系统而应用于工业过程控制中这些工业过程虽然机理各不相同，但都有下述共同的特点：一方面由于生产过程的高复杂度和高自动化程度，操作人员对自动控制系统的依赖性越来越大；另一方面，如果系统中出现故障，不但会破坏被控设备、危及操作人员的安全，而且仅仅短期停产造成的损失就会远远超过控制系统本身的价格由此可见，大规模的工业过程控制对计算机控制系统的可靠性提出了各方面更严格的要求提高控制系统可靠性有两种基本途径：硬件的方法和软件的方法提高系统硬件的可靠性是提高整个控制系统可靠性的基础，对硬件系统进行可靠性设计的基本准则包括元器件的正确选择、降额设计、冗余设计、飘移设计、故障模式及影响分析、故障树分析和人机工程设计等。

提高控制系统可靠性的软件方法即分析冗余的概念是由B e a r d 博士于1 9 7 1 年首先提出的，它为设计经济的和高可靠性的容错控制提供了一条崭新的途径主动容错控制是指预先针对故障模式设计控制器，使系统对这些可能出现的故障具有容错性，它是更一般意义上的鲁棒控制问题被动容错控制的目的则是通过对控制系统结构的合理选取，借助系统重构方法，尽可能维持故障系统的性能，以避免或减少某些局部故障对系统造成的危害，以维持生产的正常运行故障检测和诊断( F D I ) 是被动容错控制中的核心，它可分成基于模型的F D I 方法、基于知识的F D I 方法、基于统计过程控 制的F D I 方法三种类型厂本文从应用的角度出发，采用不同手段，对蕉墅丕筮可壅丝技术进行了深入 的探讨，在综合分析了控制系统可靠性技术现状的基础上，提出了一些新的方法 1 ．基于神经网络的失效传感器辨识和重构方法i 本文首先介绍了D u n i a( 1 9 9 6 ) 提出的基于P C A 的失效传感器辨识和重构方法，该方法比较圆满地解 稔1 箭恍谢V I浙江大学博士学位论文决了各测量传感器之间线性相关时的失效传感器辨识和重构问题。

然后，针对各测量传感器之间非线性相关的情况，利用B P 神经网络把D u n i a 的方法作了推广，解决了各测量传感器之间非线性关系是单调连续时的失效传感器辨识和重构问题，仿真结果表明此方法的有效性：了2 ．在N o m i k o sa n dM a c G r e g o r ( 1 9 9 4 ，1 9 9 5 ) 的研究成果基础上，详细介绍了M P C A 和M P L S 模型的建立过程和间歇过程系统的监视和故障检测方 法游把它推广到能处理多阶段间歇过程和间歇过程中数据长度不同的情况，提出了基于多模型的闻歇过程监视和故障检测方法3 ．研究了D C S 可靠性设计的基本原则，即系统不易发生故障原则、系统个产品的一项重要技术指标，但它更是一个企业的管理水平反应的观点矿4 ．用元器件应力分析法、失效模式效应及后果分析法和故障树分析法分别对S u n y T D C S 9 2 0 0 系统进行了可靠性预计，得到了S u n y T D C S 9 2 0 0 集散控制系统的可靠性定量指标本文的研究结果表明，基于可靠性设计的S u n yT D C S 9 2 0 0集散型控制系统具有很高的固有可靠性。

在论文的应用部分，作者以国家“九五”攻关项目9 6 - 7 2 8 —0 80 1蒸煮过程计算机优化控制系统及其商品化为背景，全面介绍了S u n yT D C S 9 2 0 0 集散型控制系统在福建青州造纸厂制浆分厂蒸煮工段的应用诌} 于机理模型，用S u n y T D C S 9 2 0 0 集散控制系统对其生产过程进行了回路控制和蒸煮终点的预报，然后针对蒸煮过程具体应用出现的可靠性问题进行了分析和处理，包括对传感器的故障辨识和重构等使用结果表明，S u n yT D C S 9 2 0 0 系统不但有很好的性能价格比，而且有很好的可靠性，福建青州造纸厂制浆分厂蒸煮工段在使用了S u n yT D C S 9 2 0 0 系统后，蒸煮的K a p p a 值稳定，得率也提高了1 ％多，取得了很好的经济效益S u n yT D C S 9 2 0 0 系统已在1 9 9 7 年底通过国家教委组织的鉴定 最后，作者在总结全文工作的基础上，指出了若干有待于深入研究的问题‘广浙江大学博士学位论文A B S T R A C TⅦW 倾t h ed e v e l o p m e n to ft h ec e n t r e lt h e o r ya n dm i c r o e l e c t r o n i C St e c h n o l o g y , t h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m sa r eb e c o I I l i n gm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i a la r e a s ，T h ed i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ∞c s ) w h i c hi sb a s e do nt h et e c h n o l o g i e so fc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o la n dC R T ，h a sb e i n ga p p l i e di n t ot h ei n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mt ot a k et h ep l a c eo f t h ec e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e m ．D C S ’Sm a i ni d e ai Sc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n dd i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 ．T h o u g ht h em e c h a n i s m so ft h e s ep r o c e s sc e n t r e ls y s t e m sa r ed i f f e r e n t ，t h e yh a v es o m ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c s ．O nt h eo n eh a n d ．b e c a u s eo ft h eh i g hc o m p l e xa n dh i g ha u t o m a t i o no ft h em a n u f a c t u r i n gs y s t e m , t h eo p e r a t o r sa r em o r ea n dm o r er e l y i n go nt h ea u t o m a t i cs y s t e m ．O nt h eo t h e rh a n d , i f t h es y s t e mi sf a i l e d ．t h ed e v i c e sm a yb ed a m a g e da n dt h eo p e r a t o r sm a yb eu n s a f e ．T h ea l n o B n t so f l o S Sc a u s e db y 恤ei d l ep e r i o dm a ye x c e e dt h ep r i c eo f t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ．A u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r el a r g e - s c a l e ．C o n s e q u e n t l y , t h e r ei sag r o w i n gd e m a n do nr e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo fo v e r a l ls y s t e m ．T h e r ea r et w ob a s i cm e t h o d st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h ec o n t r o ls y s t e m s ．0 n ei st h eh a r d w a r em e t h o d ．t h eo t h e ri st h es o f t w a r em e t h o d ．T h em a i nd i s c i p l i n e so ft h eh a r d w a r er e l i a b i l i t yd e s i g n i n ga r e ：c o m p o n e n ts e l e c t i o n , d e ·r a t i n gd e s i g n i n g ，r e d u n d a n c yd e s i g n i n g , d r i v i n gd e s i g n i n g , f a u l tm o d ee f f e c tc r i t i c a l i t ya n a l y s i s ( F M E C A ) ，f a u l tt r e ea n a l y s i s @ T A ) a n dm a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n gd e s i g n i n g ．T h es o f t w a r em e t h o d ，w h i c hi sa l s oc a l l e da n a l y t i c a lr e d u n d a n c y ( A R ) ，w 船f i r s tp u tf o r w a r db yD r ．B e a r di n1 9 7 1 ．T h eA Rc o n c e p ti So f f e r i n gan f f wm e t h o dt ol e tU Sd e s i g ne c o n o r n i ca n d h i g hr e l i a b i l i t yf a u l tt o l e r a n tc o n t r o ls y s t e m ．A c c o r d i n gt ot h em o d e so f f a u l t sw h i c hW eh a v ea l r e a d yk n o w n , w ec a nd e s i g nt h ec o n t r o l l e rt ot o l e r a t et h e s ek n o w nf a u l t s ．T l l i Sm e t h o di Sc a l l e dp o s i t i v ef a u l tt o l e r a n tc o n t r 0 1 ．T h r o u g ht h ea c c o m m o d a t i o no f。