在線(xiàn)傳感器突變信號的檢測與區分

　　在測控系統中，傳感器的輸出信號受多種因素的影響，常發(fā)生突變.這些突變點(diǎn)數值包含有重要的故障信息，準確捕捉并區分導致這些突變點(diǎn)產(chǎn)生的原因，是傳感器故障診斷的關(guān)鍵．文獻僅依賴(lài)于傳感器的輸出時(shí)間序列來(lái)診斷傳感器的故障，把傳感器輸出信號的突變都歸結于傳感器的故障．文獻的做法是對控制系統的輸入和輸出信號分別進(jìn)行小波變換，當小波函數可看作某一平滑函數的一階導數時(shí)，信號的突變點(diǎn)對應于其小波變換的模極大值，由此檢測突變點(diǎn)，并產(chǎn)生殘差序列和分析傳感器故障，并認為傳感器輸出信號的突變是由于傳感器的故障或系統輸入信號的突變引起的.事實(shí)上，引起傳感器輸出信號突變的原因很多，除了系統輸入突變和傳感器本身的故障之外，還有過(guò)程擾動(dòng)、執行器故障、控制器故障、被控對象及外部電磁場(chǎng)干擾等.在實(shí)際應用中，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(guò)程控制中,被控對象的時(shí)間常數較大，不能響應突變信號中的高頻分量．作者基于小波變換的頻帶分析技術(shù)，探討分析導致傳感器輸出信號發(fā)生突變的原因，為在線(xiàn)傳感器的故障診斷與性能評估提供一種實(shí)用的分析方法．

　　1 突變信號的產(chǎn)生及特征分析

　　典型控制系統一般由控制器(Gc(s))、執行器(Gv(s))、被控對象(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(即控制系統被控參數的測量值).

　　一般工業(yè)過(guò)程中的大多數被控對象動(dòng)態(tài)特性的時(shí)間常數較大，為了保證快速不失真地檢測其輸出信號，傳感器動(dòng)態(tài)特性的時(shí)間常數相對較?。?/P>

　　系統(傳感器)的突變信號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

　　在圖1中，設


　　其對數頻率特性曲線(xiàn)如圖2所示.

　　由曲線(xiàn)可得該組合環(huán)節的截止頻率ωc≈1 Hz．

　　曲線(xiàn)高頻段(ω>100ωc的區段)的特性由Gc(s)，Gv(s)，Go(s)中較小的時(shí)間常數決定，由于遠離ωc，且以較大的斜率向-∞dB方向衰減，反映出該組合環(huán)節的低通濾波特性，形成了系統對輸入信號中的高頻分量不能響應的特點(diǎn).高頻段的特點(diǎn)對系統瞬態(tài)性能影響較小，但反映時(shí)域響應不可能階躍變化。因而有延遲時(shí)間存在．高頻段直接反映了系統對輸入信號中的高頻分量的抑制能力，其分貝值越低，抑制能力越強.

　　由于一般工業(yè)對象的時(shí)間常數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)，對象輸出Xo(s)及傳感器輸出X(s)的響應突變信號的頻率分布較低，且頻帶較窄.

　　1．2 由控制器、執行器的故障及過(guò)程擾動(dòng)的突變引起的突變

　　用同樣的分析方法，可以得出同樣的結論：由控制器、執行器的故障及過(guò)程擾動(dòng)的突變引起的輸出響應突變信號的頻率分布較低，頻帶較窄．

　　1．3由外部強電磁場(chǎng)干擾引起的突變

　　一般認為，傳感器能夠抗各種高頻電子(無(wú)線(xiàn)電，這里不予考慮)干擾．外部強電磁場(chǎng)干擾一般不會(huì )引起被控對象輸出Xo(s)的變化，它常常通過(guò)電路耦合，直接引起傳感器輸出信號X(s)變化，而且一般是脈沖信號．

　　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，都將直接導致傳感器輸出信號X(s)的突變．由于這些突發(fā)型故障是由于傳感器內部元部件參數的突變引起，輸出X(s)響應突變信號的頻帶較寬，不僅包含由低頻分量，還有一定的高頻分量，這是區別于由輸入信號突變、控制器故障、執行器的故障及過(guò)程擾動(dòng)的突變引起的傳感器輸出X(s)響應突變信號的顯著(zhù)特點(diǎn)，是本文中區分突變原因及進(jìn)行傳感器故障診斷的理論依據．

　　1．5被控對象故障引起的突變

　　被控對象發(fā)生故障時(shí)，突變信號的頻譜與傳感器的輸入頻帶密切相關(guān),當傳感器的輸入頻帶較寬時(shí)，突變信號中將含有高頻分量，但一般工業(yè)過(guò)程中使用的傳感器輸入頻帶較窄，突變信號中一般不含高頻分量.各種突變原因及其信號特征見(jiàn)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(xiàn)部分為多分辨率分解過(guò)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．因為小波空間劃分對應著(zhù)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)，算法的復雜度也加大．作者從實(shí)際問(wèn)題的需要出發(fā)，選擇了基于多分辨率分析的方法，可以滿(mǎn)足要求.