【期刊论文】基于传感器故障检测的阈值选取原则的研究.pdf

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1、第 2期(总 第 1 5 3期)2 0 0 9年 4月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG&AUTOM ATI ON No2 Ap r 文章 编 号：1 6 7 2 6 4 1 3(2 0 0 9)0 2 一 O l 0 5 0 2 基于传感器故障检测的阈值选取原则的研 究 王 向 辉(临汾市人事考试中心，山西 临汾0 4 1 0 0 0)摘要：随着现代科学技术的发展，各种类型的 自动控制 系统得到了广泛 应用，与此同时，控制系统 的可靠性问 题也引起了极 大的重视。根据残差信 号的特点，综合 了几种阈值选取 的原则，并分析了求取阈值最优值的方法。

2、给出的方法具有一定的准确性。可 以在生产实际 中作为参考。关键 词：故障 检 测；传 感 器 失 效；闽值 中图分类号：TP 2 1 2 文献标识码：A 0 引言 自动控制 系统是 一类 由被控 对象、控 制器、传感 器和执行 器所组成 的闭环 系统。由于在使 用 中损耗、环 境 的变化 以及 一些偶 然因素 的影响，控 制系统 的任何 部分都存在 发生故 障的可能性，并在不 同程度 上影响 整个系统 的性能。为了保证 系统高效 地运行，人们不 但希望能 实施 良好 的控制 而且还希望 能进行 实时监 视，这样 在系统故 障发生 时就 能及 时加 以处理，从而 提 出了控 制系统 的故 障诊

3、断问题。传感器是控制系统中极易出现故障的元件。目前，对传感 器失效的检 测有许 多方法，而最 简单和 最常用 的方法就是阈值法，即根据残差形成一个决策函数，把 该函数与预先给定的阈值相比较，如果传感器的决策 函数值低 于阈值，则认 为该传 感器没 有故障发 生；如 果决策 函数 值高 于阈值，则认 为该传感 器 出现 故障。然 而。由于现 实 中的信 号具有 随机性，使 上述原 则无法 精确实现，丽 只能尽 量达到 上述准则 的要求。正是 由 于各种 随机因素 的存 在，诸 如扰动 和噪声 等等，引起 故障检测 器所特有 的误检，这 往往会 产生如下 2类错 误：故 障已经发 生，却认 为 系

4、统仍 处于正 常工作状 态，而没 有报警信号 产生，即所谓 的漏报警错 误，其 错误概 率记为 P 系统 没有 发生故障，却认 为其有 故障，发出了报警信号，即所谓的虚报警错误，其错 误概率记为 P 尸 和 尸 。都是阈值的函数，当阈值增 大 时，P 心 增 大，P 减小；当阈值减小 时，P 增 大。P 减小。一 个好 的故 障检测器应 当是使 P 和 P，。都尽可 能地小，因此 在选 取 阈值 时需要进 行折衷考 虑。下 面着 重研 究确定故 障检测器 阈值 的几 种方法。1 确定 阈值的几种 方法 1 1 允 差 原 则 确 定 法：允差原则确定法的基本思想是按传感器的允许偏 收稿 E l

5、 期：2 0 0 8 一 l 2 0 9；修回 日期：2 0 0 9 一 o l 一 1 8 作者简介：王向辉(1 9 7 7 )男 山西临猗人 工程 师，本科。差确定故障检测器的阈值。具体方法是：设计一个状 态观测器，该状态观测器的输 出与传感器的输出便构 成冗余信号，然后比较两个信号，得出传感器残差序 列 尺(是)；选取传感器的允差为故障检测的阈值，则当 其残差信号大于其阈值时，就认为此传感器发生故障。允差 原则求 出的 阈值 往往是 不精确 的，只能作 为 辅助 的、粗 略的估计。1 2序 列概 率 比方法 为 了检 测传感 器的故 障，作 如下两个假 设：序列 R(后)是零均值白噪声，

6、即系统中传感器正常，用 H。表 示；R(七)的幅值 不为零，即系统 中传感器 已发 生故障，用 H 表示。同 时进 行如下 计算：P 一P 接受 H。l H )。P 。：P 拒绝 H。I H 。其 概率 比为：、，P R(正)f H ，、“雨 。，根据 P P 确定 阈值：(1)如果 (1 一P )P 则认 为 尼时 刻 以前 系 统已发生了故障，拒绝假设 H。(2)如果 (1 一P )，则认 为 正时刻 以前 系 统 正常，即接受假设 H。(3)如果 P (1 一尸 )(1 一P )P 则 继 续 检验。1 3利用代价 函数求取 阂值一 直接分析研究被检测信号的随机性特性，利用统 计特性建立

7、一个代价函数，然后用代价函数求取阈值 的最 优值。假设 被检测 的传感 器信号 和相应 的观测信 号分别 为 j，(f)和(f)，它们 都服从 均值 为 方差 为 的正 态 分布，则 概率分 布密 度 函数 为：1 O 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 9年 第 2期()一。(2)其 中：均值 代表真实信号幅值，而盯。则是由各种噪 声 源所引起 的。令 一 (，)一；，(，)l，由式(2)可得 的概率分布 密 度 函数 为：)一J 。0。(3)l 0 2 0 (z B)一 2 。l 0 O (5)则漏 检率为：一(z B)d z=羹e“。(6)为 了根 据 P 和 P 来 确定

8、理 想 的 ，可 以 引入 一 个代价函数。设被监视传感器失效概率为 P，则构造 代 价 函数 为：C()一 P，P，1()+(1 一PI)P 2()。(7)式(7)等号 右面 第 1项 表示 有故 障 发生，但漏 检；第 2项表示无故障发生，但虚惊，这二者都是不希望的 事情。求 c()对 的最小值，相应的 就是理想的门 限 阈值。1 4 根 据 实验 确定 故障检 测 阈值 由于各种客 观 的和主观 的因素，前面所 述 的各 种 方法只是对阈值进行粗略的估算，当系统被设计出来 后，还应 对其进 行验证，并 加 以适 当调整。2结论 本文探讨了几种确定控制系统传感器失效阈值的 方 法。当然，各

9、种方 法 由于性 质不 同，求 出 的阈值 往 往 有所差 别，这 就需 视具体 系统 的情 况判 断选用 哪种 方 法，并 且在 实践 中进 行修 正，以满足传感 器检测 的 目的。参考 文献：1 Wi l l s k y A S A s u r v e y o f d e s i g n me t h o d s o f f a i l u r e d e t e c t i o n i n d y n a mi c s s y s t e ms J Au t o ma t i e a，2 0 0 3，1 2：6 01 6l 1 2 I s e r ma n n R P r o c e s

10、 s f a u l t d e t e c t i o n b a s e d o n mo d e l l i n g a n d e s t i ma t i o n me t h o d s a s u r v e y J Au t o ma t i c a，2O 01，20：3 87 40 4 3 F r a n k P M F a u l t d i a g n o s i s i n d y n a mi c s y s t e m u s i n g a na l yt i c a l an d kno wl e dg e ba s e d r e d und a nc y-a

11、 s ur v e y a n d s o me n e w r e s u l t s J Au t o ma t i c a 2 0 0 5，2 6：4 5 9-47 4 Re s e a r c h O n Thr e s h o l d S e l e c t i o n Ru l e Ba s e d 0 n S e ns o r Fa u l t De t e c t i o n W ANG Xi an g hui(Li n f e n Pe r s o n a l Te s t i n g Ad mi n i s t r a t i o n，Li n f e n O 4 l 0

12、0 0 China)Ab s t r a c t：W j t h t he d e ve l op me nt o f mod e r n s c i e n c e t e c hno l o gy au t oma t i c c o nt r o l s ys t e m ha s b e e n wi de l y a pp l i e d a nd t h e r e l i a b i l i t y o f c ont r ol s y s t e m ha s be e n t ak e n s e r i o us l y Ac c or di ng t o c ha r a

13、 c t e r i s t i c o f r e s i d ua l s i gn a1 opt i mum va l u e o f t hr e s ho l d i s g a i n e d wi t h a na l y s i s me t ho d a f t e r f u nda me nt a l r ul e of t h r e s h ol d s e l e c t i o n i s s y nt he s i z e d M e t hod gi ve n i n t hi s pa p e r i s a c c ur a t e t O t he e

14、xt e n t a nd i t c a n be u s e d i n pr od uc t i on pr a c t i c e Ke y wo r d s：f a ul t de t e c t i on；s e ns o r f a i l u r e；t h r es hol d +一 一 卜+一 -+一+一+一4-一+”-4-+-一-4-(上接 第 1 0 1页)5 结束 吾 药筒挤 压件 的成形 是一 个复杂 的复 合挤 压成形 过 程，在 成形 过程 中，金属 的流动 情 况 比较 复 杂，由 于外 摩擦 的作用，使 变形 力 增 加，以及 引 起 应 力 和 变 形 不

15、 均，使工件 内产生 附加应 力 和残余应 力，降低 了产 品的 质量，因此，必须 尽量减 小外摩 擦力 的作用。根 据金 属 在塑性成 形 中遵循 的最小 阻力 定律，要 控 制 内腔能 够 成 形，必 须合 理 设 计 凸模 的参 数、粗糙 度 以及 合 理 分 Co l d Ex t r u s i o n Pr o c e s s 配润滑 条件，另 外还要 考 虑到排气 的 问题。参考 文献：1 任国成，王广春 深杯形件冷挤压工艺分析 及变薄拉 深模 具设计L J 锻压技术，2 0 0 7(3)：6 8 6 9 E 2 3 洪慎 章 冷挤 压实 用 技术 M 北 京：机械 工 业 出版

16、社，2 00 5 3 董湘怀 金属 塑性成形 汁算机模拟的若 干进展 J 3 金属成 形 工 艺，2 0 0 0(1 8)：1-4 4 洪慎章 影响冷挤 压模具寿命 的因素 分析 J 模具制造，20 04(6)：5 3 5 5 f o r a S t e e l Ca r t r i d g e Xl oNG Ch u a n l i n W U J i n y o u (Co l l e g e of M a t e r i a l s Sc i e nc e a n d En gi n e e r i n g No r t h U n i v e r s i t y o f Ch i n

17、a F a i y u a n 03 0 0 5 1 Ch i n a)Ab s t r a c t：By a na l y z i n g t h e b a s i c s t r u c t ur e o f a s t e e l c a r t r i d ge。t hi s pa p e r c ompa r ed di f f e r e nt f or mi ng me t ho ds Th r ou gh c o mpu t e r s i mul at i o n，i t s t u di e d t h e f l o wi ng of me t a l i n c o

18、l d ex t r u s i on of t he c a r t r i dg e，de s i gn e d r e a s o na bl e f or mi n g pr o c e s s an d d i eTh e pr od uc t s t h at c an me e t t he pr e c i s i on r e qui r e me nt 1 1 a v e be e n ob t a i ne d a nd t h e de s i r e d o bi e c t i ve s h a ve b e e n a c h i e v e c I Ke y wo r d s：c ol d e x t r us i o n；c o mput e r s i mul at i o n；di e；c a r t r i d ge