浅谈伺服控制系统的故障检测与诊断

     故障诊断技术是一门了解和掌握设备在使用过程中的工作状态, 确定其整体和局部是否正常，早期发现设备的故障及其产生原因, 能够预报故障发展趋势的技术。近年来,由于系统出现故障而造成的重大人员伤亡和经济损失的事例不胜枚举,例如1986年4月26日前苏联“切尔诺贝利”核电站4号机组发生爆炸事故，8吨多强辐射物质倾泄而出，造成30多人直接死亡,320多万人遭受核辐射的侵害,使15万平方公里的土地受到污染。由于故障检测诊断技术能够保障生产正常运行、防止严重事故的发生、节约生产、维修成本等显著特点,在现代化大生产中发挥着重要作用越来越受到人们普遍重视。国际故障诊断权威德国的P.M.Frank教授认为，所有的故障诊断方法可划分为：基于解析模型的方法、基于数据的方法。本文在伺服系统下主要介绍这两种方法的理论发展、实际应用。

     伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。如数控机床，进给伺服系统，位置伺服系统， 防空雷达控制，大型H钢轨机伺服系统等等都是典型的伺服控制过程，绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能，机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。

     1、 基于模型的方法      1.1 基于状态观测器的方法      这类方法实现伺服系统故障检测一般分两步:首先设计被检测系统的状态观测器，由系统的实际输出和观测器的估计输出形成残差; 再从残差中提取故障特征参数并根据特征参数实现故障检测。Frank的综述文章基于状态估计的方法给出了详细的介绍和很多解决不同方案。状态观测器方法在伺服系统中有着广泛的应用，研究了状态观测器在伺服振动抑制上的应用。      1.2 基于等价空间的方法      等价空间方法是利用系统输入输出的实际测量值检验系统数学模型的等价性来检测和隔离故障。主要有奇偶方程的方法、基于约束优化的等价方程方法、基于具有方向的残差序列方法队等，但其中研究最多的是奇偶方程故障检测方法。      1.3 基于参数估计的方法      参数估计方法是故障检测技术中比较重要的一种方法, 这个方法直接基于系统辨识技术,可以通过估计不可测过程参数和状态变量来检测过程故障。扩充了最小二乘法在数控机床伺服系统模型参数估计中的应用和参数估计的具体方法。      1.4 鲁棒故障诊断方法      如何使故障检测系统对于模型误差、干扰等不确定因素能够具有较好的鲁棒性，确保故障检测系统在不确定因素影响下仍能准确检测故障，是基于模型的故障检测中的一个关键问题。主要方法有： 基于未知输入观测器的方法， 基于特征结构配置的方法以及优化性能方法。鲁棒性研究在伺服系统中也有着非常深入的研究，等分别研究了鲁棒性在硬盘两极定位伺服系统中的应用。

     2、基于数据的方法      基于模型的控制理论和方法总是不可避免面对未建模动态和鲁棒性这对孪生问题，这对孪生问题使得基于模型的控制理论和方法在实际中的应用受到了很大的限制。而且数学模型的复杂结构决定了控器的复杂结构,控制器的简化和降阶问题、鲁棒性问题变成了不可逾越的设计问题。在理论的内在发展，同时实际应用的推动下，基于数据的故障检测诊断的方法获得了长足的发展。      2.1 基于信号的方法      基于信号的故障检测与诊断采用信号处理的技术： 关系函数，信号模型辨识，谱分析，傅里叶变换，小波变换等。采用小波变换用在轧钢领域，统计过程控制也是个发展比较好的方法，但是该方法对条件的要求比较严格， 如果数据不满足要求，则得不到满意的结果。做了基于小波理论的电液伺服系统故障诊断技术的研究。      2.2 基于多变量统计的方法      现实生产中的过程往往受到多种因素的影响，如果忽略次要的因素，抓住主要因素就显得尤为重要，主元分析就是一个很好满足这个要求的工具。主元分析主要涉及Q测试过程，现已经发展出独立主元分析，偏最小二乘法等。       2.3 基于知识的方法       通过对控制过程的越来越深入地了解，该系统的某些特性已为我们所掌握，再做相关的工作就更加有效，形成了基于知识的故障检测与诊断的方法，主要有因果分析，专家系统和分类法。因果分析利用故障树等获取故障的相关信息，专家系统是模仿人类的思维推理方式来做出判断， 分类法通过获得的数据和故障之间的关系来判断故障情况。       3、 结论       伺服系统以其在实践中的广泛应用而受到人们的关注，随着故障检测与诊断技术的不断发展，在伺服系统上也能获得更好的效果，基于数据和数据的方法各自的优缺点，如何使它们的优势得到发挥、缺点得到抑制，使得它们能相互支持、优势互补、相互完善将是未来的发展方向。