CN103197557A - 一种实时监测闭环控制系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时在线监测闭环控制系统及其工作方法，包括电源、功率变换器、输出滤波整流器、采样网络、比较器、PWM控制器和驱动器，所述功率变换器、输出滤波整流器、采样网络、比较器、PWM控制器和驱动器依次相连；所述电源包含输入端电源电压和输出端电源电压，所述功率变换器与输入端电源电压电性连接，所述输出端电源电压连接在输出滤波整流器与采样网络之间。应用闭环传递函数实测结果，建立关键器件失效与电源失效的动态模型，电源失效的在线闭环测试方式实现了电源故障实时预报和劣化在线可测，提供电源故障、劣化和愈合测试、判断、处理、评估方法，并提供相应的决策，电子系统的可靠性升高。

Description

一种实时监测闭环控制系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种实时在线监测闭环控制系统及其工作方法。 

背景技术

苛刻环境(如应用在野外露天、矿井、空间等苛刻或危险环境的无人值守监测控制系统)下DC/DC电源失效频发，这些系统大多安装在飞机、车、船及各类武器系统中，其工作环境相当恶劣，不仅存在热应力、振动、冲击、电磁辐射等恶劣的应力环境，工作在航天器中的电子系统还存在总剂量辐射和单粒子事件等。在这些恶劣环境下工作的电子系统失效率比正常环境下高得多，近年来电子系统失效统计表明34％的电子系统失效都是由电源系统的失效引起的。致使国家战略安全和国民经济发展需求的电子系统(如卫星、航天器、舰船、高速列车、自然灾害的预警系统等)的可靠性受到严重威胁。DC/DC电源是带有闭环控制的高阶-离散-非线性-时变系统。DC/DC电源失效直接造成电子系统的失效，为此，电源失效的研究一直备受国内外的关注。传统的电源系统故障诊断是“事后救灾”处理；传统的电源系统使用寿命分析是依靠系统的失效率统计分析；传统的电源系统的健康状况管理是依靠别人或前人经验。例如，2006年11月，价值20亿元的中国“鑫诺二号”因电源故障而宣布失效；2006年底升空的日本技术试验卫星8号因通信设备电源故障而功能失效；2009年1月，印度空间研究组织耗时26个月为欧洲通讯卫星组织(ETL)研发的W2M通信卫星，在成功发射五周后因电源系统故障失效成为太空垃圾。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电子系统可靠性高的实时在线监测闭环控制系统。 

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种实时在线监测闭环控制系统，包括电源、功率变换器、输出滤波器、采样网络、比较器、PWM控制器和驱动器，所述功率变换器、输出滤波器、采样网络、比较器、PWM控制器和驱动器依次相连，所述电源包含输入端电源电压和输出端电源电压，所述功率变换器与输入端电源电压电性连接，所述输出端电源电压连接在输出滤波整流器与采样网络之间。 

作为优选，所述功率变换器设置有输入端和输出端，所述输入端连接输入端电源电压，所述输出端连接输出滤波器。 

本发明要解决的另一技术问题是提供一种电子系统可靠性高的实时在线监测闭环控制系统的工作方法。 

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：包括以下步骤： 

1)、建立电源关键器件劣化、故障造成电源系统失效的机理模型，并利用仿真技术，建立DC/DC电源的仿真模型，根据关键器件失效模式，改变关键器件的参数并注入仿真模型，验证所建关系的正确性； 

2)、研究电源失效特征状态可观性及可控性，直接采集DC/DC的可测的特征状态；若数据超过正常给定工作区间的阈值，可能发生故障，需应急处理；若超过正常阈值后还能缓慢退火恢复到正常态，可依愈合状态处理；若能可靠地测量到这些状态的时变率，可由拟合方法取得系统的劣化程度，计算剩余寿命； 

3)、将仿真模型验证平台放置于高精度可控温箱中，在不同热应力作用下，将不同老化程度的关键器件注入航空电源中，实时采集直接监测和δ函数激励响应数据，分别做出相应的处理，分析、判断和决策，对故障预报、劣化监测和愈合记录分析的可信度进行评估。 

作为优选，所述电源关键器件为电解电容和MOSFET。 

本发明实时在线监控闭环控制系统的有益效果是：应用闭环传递函数实测结果，建立关键器件失效与电源失效的动态模型，电源失效的在线闭环测试方式实现了电源故障实时预报和劣化在线可测，提供电源故障、劣化和愈合测试、判断、处理、评估方法，并提供相应的决策，电子系统的可靠性升高。 

附图说明

图1为本发明实时在线监控闭环控制系统的电路方框图； 

图2为本发明实时在线监控闭环控制系统的DC/DC电源系统框图； 

图3为本发明实时在线监控闭环控制系统的输出电压频谱示意图。 

具体实施方式

请参阅图1至图3所示，本发明采用如下技术方案：一种实时在线监测闭环控制系统，包括电源、功率变换器、输出滤波器、采样网络、比较器、PWM控制器和驱动器，所述功率变换器、输出滤波器、采样网络、比较器、PWM控制器和驱动器依次相连，所述电源包含输入端电源电压和输出端电源电压，所述功率变换器与输入端电源电压电性连接，所述输出端电源电压连接在输出滤波整流器与采样网络之间。 

所述功率变换器设置有输入端和输出端，所述输入端连接输入端电源电压，所述输出端连接输出滤波器。 

建立电源关键器件(电解电容和MOSFET)劣化、故障造成电源系统失效的机理模型，从DC/DC闭环传递函数角度分析关键器件特征参数变化所造成DC/DC系统关键特征状态的变化，从而可以依此监测DC/DC闭环传递函数零、极点的移动，判断DC/DC特征状态的时变。电解电容关键参数有电容量C和等效串联电阻ESR；MOSFET关键参数有导通电阻Ron和分布参数。由于器件物理缺陷或环境突变，可能引起这些参量的突变(故障)或渐变(劣化)或突变后退火(愈 合)，这些变化都会造成DC/DC关键状态的时变，只要测量状态变化，可以得到闭环传递函数的零、极点的变化，从而分析系统故障、劣化、愈合的状态，实时采取管理对策，防止事故扩展。DC/DC电源闭环传递函数为： 

$\mathrm{\Φ}\left(s\right)=\frac{G\left(s\right)}{1+G\left(s\right)H\left(s\right)}---\left(1\right)$

其中系统开环传递函数 

G(s)＝G_MOS(s)·G_Filt(s)  (2) 

反馈通道传递函数 

H(s)＝G_COM(s)·G_Samp(s)  (3) 

式(2)中 

$G_{\mathrm{MOS}}\left(s\right)=\frac{1}{V_{\mathrm{SM}}{(1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{MOS}}})}^2}---\left(4\right)$

V_SM为锯齿波峰峰值，ω_MOS为MOSFET分布参数引起的极点； 

$G_{\mathrm{Filt}}\left(s\right)=K_1\frac{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zf}}}}{(1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{p1}})(1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{p2}})}---\left(5\right)$

ω_p1，ω_p2为滤波传递函数的极点，ω_p1是主导极点；ω_zf为电容等效串联电阻ESR引起的高频零点。 

式(3)中 

$G_{\mathrm{COM}}\left(s\right)=\frac{K_2(1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{z1}})(1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{z2}})}{s(1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{p3}})(1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{p4}})}---\left(6\right)$

ω_z1，ω_z2为抵消G_Filt(s)中ω_p1，ω_p2引起的相位滞后； 

ω_p3为补偿G_Filt(s)中ω_zf； 

ω_p4为高频极点，提高系统相位裕度，提高系统稳定性，抑制高频干扰。 

$G_{\mathrm{Samp}}\left(s\right)=\frac{V_H\left(s\right)}{V_o\left(s\right)}---\left(7\right)$

当电解电容劣化、故障时，电解电容C和ESR及G_Filt(s)变化，同时还造成系统穿越频率变化；MOSFET劣化、故障时，导通电阻Ron和分布参数R′，L′，C′变化，MOSFET高频极点向ω轴0点左移；DC/DC闭环传递函数变化可以通过实测DC/DC输出状态。如电容上电压和电感上电流或测量DC/DC在δ函数激励下的时间响应过程得到。 

利用上述原理，研究关键器件的故障、劣化、愈合三种失效模式导致的参数变化对电源系统闭环传递函数零、极点及系统状态的影响，建立关键器件失效与电源系统失效之间的关系。利用PSpice、Saber软件进行仿真实验，建立DC/DC电源的仿真模型，根据关键器件失效模式，改变关键器件的参数并注入仿真模型，验证所建关系的正确性。研究电源失效特征状态可观性及可控性，直接采集DC/DC的可测的特征状态，如电源系统的输入V_sI_s

输出V_oI_o

等效输出、输入阻抗Z_o，Z_i和开关周期及开关占空比D等，若数据超过正常给定工作区间的阈值，可能发生故障，需应急处理；若超过正常阈值后还能缓慢退火恢复到正常态，可依愈合状态处理；若能可靠地测量到这些状态的时变率，可由拟合方法取得系统的劣化程度，计算剩余寿命。采用δ函数激励方法可以得到系统全频的响应，由于系统由若干高阶系统组成，当施加激励信号后，对输出电压信号进行时域和频域分析，可得到闭环传递函数的零、极点位置。对输出的时域信号的超调量、包络、上升和调整时间分析确定关键器件的故障、劣化；还可采用谐波平衡法确定信号频谱成分、计算参数(如：三阶截取点、总谐波失真及交流失真分析)、执行电源放大器负载激励回路分析、执行非线性噪声分析等分析电源失效。输出电压含有直流分量V₀、低频扰动分量f_g、开关频率分量f_s、MOSFET管等非理想器件的分布参数分量f_k，低频扰动分量f_g在几十Hz左右，其频率和相位的大小反应了电源系统时变过渡过程特性；开关频率分量f_s在几十KHz左右，其频率和相位的大小反应了电源反馈回路的特性；分布参数分量f_k在几MHz左右，其频率和相位的大小反应了MOSFET管的状态特性。 

将自主开发的验证平台放置于高精度可控温箱中，分别在不同热应力作用下，将不同老化程度的关键器件注入航空电源中，实时采集直接监测和δ函数 激励响应数据，分别对FFP，DFP和愈合特征信号做相应的处理，分析、判断和决策，对故障预报、劣化监测(剩余使用寿命测量)和愈合记录分析的可信度进行评估。 

原理研究阶段是通过“关键器件失效→物理参数变化→闭环传递函数零、极点变化→系统传递函数变化→系统状态变化”，研究关键器件的失效对电源失效的影响，通过对电源闭环系统的测量，将不可测的失效转化为在线可测；方法研究主要是提取器件失效造成的电源状态改变，采用直接测量和激励测量相结合，直接测量电源系统等特征状态；激励测量，则通过对系统施加激励，监测、记录响应全时域过渡过程，并谐波平衡法确定信号频谱成分；评估阶段需对采集的数据实时处理、分析、判断、决策，分别对愈合特征状态做相应处理，并对判断的可信度进行评估；最后，通过自主开发的验证平台，在苛刻环境(热应力作用)下验证电源系统关键器件失效及对电源影响研究的正确性、实现电源失效在线测试技术可信度评估。 

本发明实时在线监控闭环控制系统的有益效果是：应用闭环传递函数实测结果，建立关键器件失效与电源失效的动态模型，电源失效的在线闭环测试方式实现了电源故障实时预报和劣化在线可测，提供电源故障、劣化和愈合测试、判断、处理、评估方法，并提供相应的决策，电子系统的可靠性升高。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。 

Claims (4)

1.一种实时在线监测闭环控制系统，其特征在于：包括电源、功率变换器、输出滤波器、采样网络、比较器、PWM控制器和驱动器，所述功率变换器、输出滤波器、采样网络、比较器、PWM控制器和驱动器依次相连，所述电源包含输入端电源电压和输出端电源电压，所述功率变换器与输入端电源电压电性连接，所述输出电源电压连接在输出滤波整流器与采样网络之间。

2.根据权利要求1所述的一种实时在线监测闭环控制系统，其特征在于：所述功率变换器设置有输入端和输出端，所述输入端连接输入端电源电压，所述输出端连接输出滤波器。

3.一种如权利要求1所述的实时在线监测闭环控制系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、建立电源关键器件劣化、故障造成电源系统失效的机理模型，并利用仿真技术，建立DC/DC电源的仿真模型，根据关键器件失效模式，改变关键器件的参数并注入仿真模型，验证所建关系的正确性；

2)、研究电源失效特征状态可观性及可控性，直接采集DC/DC的可测的特征状态；若数据超过正常给定工作区间的阈值，可能发生故障，需应急处理；若超过正常阈值后还能缓慢退火恢复到正常态，可依愈合状态处理；若能可靠地测量到这些状态的时变率，可由拟合方法取得系统的劣化程度，计算剩余寿命；

3)、将仿真模型验证平台放置于高精度可控温箱中，在不同热应力作用下，将不同老化程度的关键器件注入航空电源中，实时采集直接监测和δ函数激励响应数据，分别做出相应的处理，分析、判断和决策，对故障预报、劣化监测和愈合记录分析的可信度进行评估。

4.根据权利要求3所述的一种实时在线监测闭环控制系统的工作方法，其特征在于：所述电源关键器件为电解电容和MOSFET。

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