CN106227195B - 一种故障检测判断补偿式三冗余伺服控制方法 - Google Patents

一种故障检测判断补偿式三冗余伺服控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种故障检测判断补偿式三冗余伺服控制方法，能够实现对D/A输出故障、功率放大器相关电路故障和1路或2路阀线圈断路故障进行智能识别，并对上述故障造成的异常电流进行实时补偿，经过伺服系统性能验证，在上述故障情况下，位置特性和频率特性基本保持无故障状态水平，有利于提高系统可靠性，而现有控制方法在此系统中应用，则无法在故障状态下对异常电流进行补偿。

Description

一种故障检测判断补偿式三冗余伺服控制方法
技术领域
本发明涉及一种故障检测判断补偿式三冗余伺服控制方法，属于控制、调节系统。
背景技术
液压型伺服机构包含机械反馈式和电反馈式，在目前的技术中：
机械反馈伺服系统中，伺服机构的位移正比于伺服阀线圈上流过的电流，伺服机构采用模拟式控制器实现对伺服阀的零差补偿，伺服阀采用主线圈和辅线圈结构，主线圈电流为指令电流，由控制系统给出，辅线圈电流用于实现温漂等补偿由伺服系统通过控制器计算得出；如果控制器失效，一般会使伺服机构回零位，可靠性相对较高。
电反馈伺服系统中，控制系统只给出数字指令信号，需要伺服系统采用数字式伺服控制器自行闭环控制并输出指令电流，伺服阀线圈上的电流正比于控制指令与伺服机构位移的差值，即当伺服阀线圈电流不为0时，伺服机构动作，阀线圈电流为0时，伺服机构处于稳定于指令要求的位置上，伺服阀线圈采用3组线圈冗余缠绕，同时控制，流过电流相同，只要有1组线圈正常工作，即有电流控制伺服阀工作，使伺服机构达到指令位置，只是相位会明显滞后；如果控制器失效，一般会使伺服机构开环失控。
随着技术的发展和控制系统的要求，机械反馈式伺服系统需采用数字式控制，现有技术有两种可实现的方法：方案1：直接将原模拟式控制方式数字化，控制算法不变，伺服机构状态不变；方案2：采用电反馈系统的数字式控制器，控制算法略作修改，伺服阀线圈需将主辅式改为三冗余式；
对于现有技术方案1：模拟与数字的差别是伺服闭环和指令电流输出由控制系统移到了伺服系统，对伺服系统提出了更高的可靠性要求，如果控制器或阀线圈特别是主线圈发生故障，伺服机构就不能再满足指令要求，降低了系统可靠性；
对于现有技术方案2：由于3个阀线圈电流由1个指令控制，即使采用了三冗余线圈，如果1个线圈发生故障，流过伺服阀的总电流就下降了1/3，伺服机构的位置也只能达到指令要求的2/3，并且故障不可补偿，降低了系统可靠性。
发明内容
本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种故障检测判断补偿式三冗余伺服控制方法，能够实现对伺服阀线圈断路、伺服阀线圈电流异常情况进行识别，并且在发生故障时，能对指令电流进行有效补偿，使伺服机构位置满足指令要求，以提高数字伺服控制器在机械反馈式伺服系统中应用的可靠性。
本发明的技术解决方案：
一种故障检测判断补偿式三冗余伺服控制方法，定义：
伺服控制器三路阀线圈的D/A通道分配的数字指令分别为I1、I2、I3；
发生故障后，三路阀线圈的阀电流异常测量值为Ia1、Ia2、Ia3；
本周期阀电流测量值与上一周期阀线圈指令之差的上限为阈值Ith1、Ith2；
伺服阀线圈理论匝数Kxv，三路阀线圈的实际匝数分别是Kxv1、Kxv2、Kxv3；
具体步骤为：
(1)伺服控制器接收外部控制系统的控制指令，伺服控制器通过A/D采集三路阀线圈的阀电流Im1、Im2、Im3，并判断本周期控制指令与上一周期控制指令是否发生变化，如果控制指令发生变化，则异常次数寄存器清零，否则保持原值；
(2)伺服控制器通过步骤(1)中的控制指令经过PID计算得出待分配的数字指令I，判断上一周期故障标志是否置位，即判断电路是否已发生故障，如果已发生故障，需要调高阈值，如果没有发生故障，则判断步骤(1)中的3个阀电流是否有超差；
(3)如果步骤(2)中判定已发生故障，若为2个通道故障，则按照2通道算法处理，由无故障通道对故障通道进行补偿，并不再判断第3通道是否故障，将待分配的数字指令I输出到伺服机构的3个阀线圈上，分别为I1、I2、I3，确保伺服机构在2个阀线圈断路的故障模式下能够按照控制指令要求动作；若为1个通道故障，则判断步骤(1)中的其他2个阀电流是否有超差；
(4)如果步骤(2)、(3)中的阀电流均无超差，则将异常次数寄存器清零，并按照无故障处理算法，将I1、I2、I3输出到伺服机构的3个阀线圈上，确保伺服机构能够按照控制指令要求动作；
(5)如果步骤(2)、(3)中的阀电流有超差，再判断阀电流是否超量程，如果超量程，则按照步骤(4)进行处理；如果不超量程，异常次数寄存器累加，如果异常次数寄存器未到溢出值，按照无故障处理算法，将I1、I2、I3输出到伺服机构的3个阀线圈上，确保伺服机构能够按照控制指令要求动作；如果异常次数寄存器达到溢出值，则故障标志置位，标记故障通道，并向控制系统反馈标记；
(6)如果步骤(5)中标记的故障通道为1个通道故障，则按照1通道算法处理，由无故障通道对故障通道进行补偿，将I1、I2、I3输出到伺服机构的3个阀线圈上，确保伺服机构在个1通道故障下能够按照控制指令要求动作；如果步骤(5)中标记的故障通道为2个通道故障，则按照2通道算法处理，将I1、I2、I3输出到伺服机构的3个阀线圈上，确保伺服机构在2个阀线圈断路的故障模式下能够按照控制指令要求动作。
步骤(3)和(6)中的2通道算法为：
当第1路故障后，检测到第2路故障，|Im2–I2|>Ith2：
I1＝0；
I2＝0；
I3＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1–(Kxv2/Kxv)*Ia2]*(Kxv/Kxv3)；
当第1路故障后，检测到第3路故障，|Im3–I3|>Ith2：
I1＝0；
I3＝0；
I2＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv2)；
当第2路故障后，检测到第3路故障，|Im3–I3|>Ith2：
I2＝0；
I3＝0；
I1＝[I–(Kxv2/Kxv)*Ia2–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv1)；
当第2路故障后，检测到第1路故障，|Im1–I1|>Ith2：
I1＝0；
I2＝0；
I3＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1–(Kxv2/Kxv)*Ia2]*(Kxv/Kxv3)；
当第3路故障后，检测到第1路故障，|Im1–I1|>Ith2：
I1＝0；
I2＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv2)；
I3＝0；
当3路故障后，检测到第2路故障，|Im2–I2|>Ith2：
I3＝0；
I2＝0；
I1＝[I–(Kxv2/Kxv)*Ia2–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv1)。
步骤(6)中的1通道算法为：
当第1路故障，|Im1-I1|>Ith1：
I1＝0；
I2＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1]*(Kxv/Kxv2)/2；
I3＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1]*(Kxv/Kxv3)/2；
当第2路故障，|Im2–I2|>Ith1：
I2＝0；
I1＝[I–(Kxv2/Kxv)*Ia2]*(Kxv/Kxv1)/2；
I3＝[I–(Kxv2/Kxv)*Ia2]*(Kxv/Kxv3)/2；
当第3路故障，|Im3–I3|>Ith1：
I3＝0；
I1＝[I–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv1)/2；
I2＝[I–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv2)/2。
步骤(4)中的无故障处理算法为：
I1＝I*Kxv/3Kxv1；
I2＝I*Kxv/3Kxv2；
I3＝I*Kxv/3Kxv3。
所述步骤(6)中的通道故障包括D/A输出故障、功率放大器相关电路故障和阀线圈断路故障。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明能够实现对D/A输出故障、功率放大器相关电路故障和1路或2路阀线圈断路故障进行智能识别，并对上述故障造成的异常电流进行实时补偿，经过伺服系统性能验证，在上述故障情况下，位置特性和频率特性基本保持无故障状态水平，有利于提高系统可靠性，而现有控制方法在此系统中应用，则无法在故障状态下对异常电流进行补偿。
附图说明
图1为本发明功能组成框图；
图2为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示，伺服阀线圈采用三冗余设计，伺服控制器采用三套独立的功率放大电路分别为三冗余阀的三个阀线圈提供指令电流；采用三路独立的D/A转换通道分别控制三个功率放大电路；通过A/D转换引入阀电流测量信号作为判断条件，在测量信号无异常时，数字指令I由3个线圈指令平分输出，当检测到某1路阀电流异常时，使此路线圈指令输入为0，使功放输出的异常电流影响尽量降低，由其它2路线圈指令进行补偿，使3个线圈的电流总和与数字指令I保持相等，实现一度故障的识别和故障补偿。
由于机械反馈式伺服机位的位置与数字指令I成正比，在3个线圈完全相同的情况下，3个线圈的指令之和应与I相同，伺服机构的位置由流过三个阀线圈上的电流共同决定，为实现在极限故障情况下(一度故障为线圈上电流与指令要求极性相反且饱和)补偿，硬件设计时要求单独一路的功率放大电路即可提供伺服机构饱和位置的电流值。
本发明工作原理为：控制系统周期性向伺服控制器发送控制指令，伺服控制器进行周期性闭环处理，并向伺服阀线圈输出阀电流，使伺服机构按照控制指令要求进行动作；控制器每1ms将本周期的电流测量值与上一周期的线圈指令进行比较，并进行多点判断，滤除毛刺、干扰等信号，如果某1路电流误差值连续6个周期超出设计阈值1时，认为该路电流发生异常，则启动一路故障冗余机制，为了不轻易判定为二路故障，将阈值适当放大调整为阈值2，如果其它2路中的某1路电流误差超过阈值2，则启动二路故障冗余机制，并且不再判定第三路故障；为防止由于电流采集错误造成的误判定，需对阀电流采集值的有效性进行判定，如果采集值超过实际的物理量程，则认为测量错误，不进行故障判定。
具体实现步骤为：
定义：
伺服控制器三路阀线圈的D/A通道分配的数字指令分别为I1、I2、I3；
发生故障后，三路阀线圈的阀电流异常测量值为Ia1、Ia2、Ia3；
本周期阀电流测量值与上一周期阀线圈指令之差的上限为阈值Ith1、Ith2；
伺服阀线圈理论匝数Kxv，三路阀线圈的实际匝数分别是Kxv1、Kxv2、Kxv3；
(1)伺服控制器接收外部控制系统的控制指令，伺服控制器通过A/D采集三路阀线圈的阀电流Im1、Im2、Im3，并判断本周期控制指令与上一周期控制指令是否发生变化，如果控制指令发生变化，则异常次数寄存器清零，否则保持原值；
(2)伺服控制器通过步骤(1)中的控制指令经过PID计算得出待分配的数字指令I，判断上一周期故障标志是否置位，即判断电路是否已发生故障，如果已发生故障，需要调高阈值，如果没有发生故障，则判断步骤(1)中的3个阀电流是否有超差；
(3)如果步骤(2)中判定已发生故障，若为2个通道故障，则按照2通道算法处理，由无故障通道对故障通道进行补偿，并不再判断第3通道是否故障，将待分配的数字指令I输出到伺服机构的3个阀线圈上，分别为I1、I2、I3，确保伺服机构在2个阀线圈断路的故障模式下能够按照控制指令要求动作；若为1个通道故障，则判断步骤(1)中的其他2个阀电流是否有超差；
(4)如果步骤(2)、(3)中的阀电流均无超差，则将异常次数寄存器清零，并按照无故障处理算法，将I1、I2、I3输出到伺服机构的3个阀线圈上，确保伺服机构能够按照控制指令要求动作；
(5)如果步骤(2)、(3)中的阀电流有超差，再判断阀电流是否超量程，如果超量程，则按照步骤(4)进行处理；如果不超量程，异常次数寄存器累加，如果异常次数寄存器未到溢出值，按照无故障处理算法，将I1、I2、I3输出到伺服机构的3个阀线圈上，确保伺服机构能够按照控制指令要求动作；如果异常次数寄存器达到溢出值，则故障标志置位，标记故障通道，并向控制系统反馈标记；
(6)如果步骤(5)中标记的故障通道为1个通道故障，则按照1通道算法处理，由无故障通道对故障通道进行补偿，将I1、I2、I3输出到伺服机构的3个阀线圈上，确保伺服机构在个1通道故障下能够按照控制指令要求动作；如果步骤(5)中标记的故障通道为2个通道故障，则按照2通道算法处理，将I1、I2、I3输出到伺服机构的3个阀线圈上，确保伺服机构在2个阀线圈断路的故障模式下能够按照控制指令要求动作。
步骤(3)和(6)中的2通道算法为：
当第1路故障后，检测到第2路故障，|Im2–I2|>Ith2：
I1＝0；
I2＝0；
I3＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1–(Kxv2/Kxv)*Ia2]*(Kxv/Kxv3)；
当第1路故障后，检测到第3路故障，|Im3–I3|>Ith2：
I1＝0；
I3＝0；
I2＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv2)；
当第2路故障后，检测到第3路故障，|Im3–I3|>Ith2：
I2＝0；
I3＝0；
I1＝[I–(Kxv2/Kxv)*Ia2–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv1)；
当第2路故障后，检测到第1路故障，|Im1–I1|>Ith2：
I1＝0；
I2＝0；
I3＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1–(Kxv2/Kxv)*Ia2]*(Kxv/Kxv3)；
当第3路故障后，检测到第1路故障，|Im1–I1|>Ith2：
I1＝0；
I2＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv2)；
I3＝0；
当3路故障后，检测到第2路故障，|Im2–I2|>Ith2：
I3＝0；
I2＝0；
I1＝[I–(Kxv2/Kxv)*Ia2–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv1)。
步骤(6)中的1通道算法为：
当第1路故障，|Im1-I1|>Ith1：
I1＝0；
I2＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1]*(Kxv/Kxv2)/2；
I3＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1]*(Kxv/Kxv3)/2；
当第2路故障，|Im2–I2|>Ith1：
I2＝0；
I1＝[I–(Kxv2/Kxv)*Ia2]*(Kxv/Kxv1)/2；
I3＝[I–(Kxv2/Kxv)*Ia2]*(Kxv/Kxv3)/2；
当第3路故障，|Im3–I3|>Ith1：
I3＝0；
I1＝[I–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv1)/2；
I2＝[I–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv2)/2。
步骤(4)中的无故障处理算法为：
I1＝I*Kxv/3Kxv1；
I2＝I*Kxv/3Kxv2；
I3＝I*Kxv/3Kxv3。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种故障检测判断补偿式三冗余伺服控制方法，其特征在于，定义：
伺服控制器三路阀线圈的D/A通道分配的数字指令分别为I1、I2、I3；
发生故障后，三路阀线圈的阀电流异常测量值为Ia1、Ia2、Ia3；
本周期阀电流测量值与上一周期阀线圈指令之差的上限为阈值Ith1、Ith2；
伺服阀线圈理论匝数Kxv，三路阀线圈的实际匝数分别是Kxv1、Kxv2、Kxv3；
具体步骤为：
(1)伺服控制器接收外部控制系统的控制指令，伺服控制器通过A/D采集三路阀线圈的阀电流Im1、Im2、Im3，并判断本周期控制指令与上一周期控制指令是否发生变化，如果控制指令发生变化，则异常次数寄存器清零，否则保持原值；
(2)伺服控制器通过步骤(1)中的控制指令经过PID计算得出待分配的数字指令I，判断上一周期故障标志是否置位，即判断电路是否已发生故障，如果已发生故障，需要调高阈值，如果没有发生故障，则判断步骤(1)中的3个阀电流是否有超差；
(3)如果步骤(2)中判定已发生故障，若为2个通道故障，则按照2通道算法处理，由无故障通道对故障通道进行补偿，并不再判断第3通道是否故障，将待分配的数字指令I输出到伺服机构的3个阀线圈上，分别为I1、I2、I3，确保伺服机构在2个阀线圈断路的故障模式下能够按照控制指令要求动作；若为1个通道故障，则判断步骤(1)中的其他2个阀电流是否有超差；
(4)如果步骤(2)、(3)中的阀电流均无超差，则将异常次数寄存器清零，并按照无故障处理算法，将I1、I2、I3输出到伺服机构的3个阀线圈上，确保伺服机构能够按照控制指令要求动作；
(5)如果步骤(2)、(3)中的阀电流有超差，再判断阀电流是否超量程，如果超量程，则按照步骤(4)进行处理；如果不超量程，异常次数寄存器累加，如果异常次数寄存器未到溢出值，按照无故障处理算法，将I1、I2、I3输出到伺服机构的3个阀线圈上，确保伺服机构能够按照控制指令要求动作；如果异常次数寄存器达到溢出值，则故障标志置位，标记故障通道，并向控制系统反馈标记；
(6)如果步骤(5)中标记的故障通道为1个通道故障，则按照1通道算法处理，由无故障通道对故障通道进行补偿，将I1、I2、I3输出到伺服机构的3个阀线圈上，确保伺服机构在1个通道故障下能够按照控制指令要求动作；如果步骤(5)中标记的故障通道为2个通道故障，则按照2通道算法处理，将I1、I2、I3输出到伺服机构的3个阀线圈上，确保伺服机构在2个阀线圈断路的故障模式下能够按照控制指令要求动作。
2.如权利要求1所述的一种故障检测判断补偿式三冗余伺服控制方法，其特征在于，步骤(3)和(6)中的2通道算法为：
当第1路故障后，检测到第2路故障，|Im2–I2|>Ith2：
I1＝0；
I2＝0；
I3＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1–(Kxv2/Kxv)*Ia2]*(Kxv/Kxv3)；
当第1路故障后，检测到第3路故障，|Im3–I3|>Ith2：
I1＝0；
I3＝0；
I2＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv2)；
当第2路故障后，检测到第3路故障，|Im3–I3|>Ith2：
I2＝0；
I3＝0；
I1＝[I–(Kxv2/Kxv)*Ia2–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv1)；
当第2路故障后，检测到第1路故障，|Im1–I1|>Ith2：
I1＝0；
I2＝0；
I3＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1–(Kxv2/Kxv)*Ia2]*(Kxv/Kxv3)；
当第3路故障后，检测到第1路故障，|Im1–I1|>Ith2：
I1＝0；
I2＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv2)；
I3＝0；
当3路故障后，检测到第2路故障，|Im2–I2|>Ith2：
I3＝0；
I2＝0；
I1＝[I–(Kxv2/Kxv)*Ia2–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv1)。
3.如权利要求1所述的一种故障检测判断补偿式三冗余伺服控制方法，其特征在于，步骤(6)中的1通道算法为：
当第1路故障，|Im1-I1|>Ith1：
I1＝0；
I2＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1]*(Kxv/Kxv2)/2；
I3＝[I–(Kxv1/Kxv)*Ia1]*(Kxv/Kxv3)/2；
当第2路故障，|Im2–I2|>Ith1：
I2＝0；
I1＝[I–(Kxv2/Kxv)*Ia2]*(Kxv/Kxv1)/2；
I3＝[I–(Kxv2/Kxv)*Ia2]*(Kxv/Kxv3)/2；
当第3路故障，|Im3–I3|>Ith1：
I3＝0；
I1＝[I–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv1)/2；
I2＝[I–(Kxv3/Kxv)*Ia3]*(Kxv/Kxv2)/2。
4.如权利要求1所述的一种故障检测判断补偿式三冗余伺服控制方法，其特征在于，步骤(4)中的无故障处理算法为：
I1＝I*Kxv/3Kxv1；
I2＝I*Kxv/3Kxv2；
I3＝I*Kxv/3Kxv3。
5.如权利要求1所述的一种故障检测判断补偿式三冗余伺服控制方法，其特征在于，所述步骤(6)中的通道故障包括D/A输出故障、功率放大器相关电路故障和阀线圈断路故障。
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