电动执行器故障诊断的研究

作 者： 冉莹；高韶坤
摘 要： 以往对于执行器的故障诊断主要基于仿真层面，然而在实际应用中却不太理想。针对上述情况，通过深入分析执行器的故障特点提出了一些切实可行的诊断方法以及排除故障的方法。这些方法不需要建立执行器复杂的数学模型，而是通过分析输入信号和输出信号变化特点进行故障诊断，具有运算简单、判断迅速、成本低等优点。这些排除故障的方法，只要采集适当的信号就可以实现故障诊断适用于电动执行器及其他类型的执行器。
0 引言

    随着我国经济的快速发展，现代工矿业设备日益朝向大型化、复杂化、智能化发展。在诸如大型火电厂这样的现代化生产过程中，控制系统往往包括上百个控制回路，传统的参数报警和连锁保护系统已经不能满足现代化生产过程的需要。在当今计算机控制系统中，软硬件的可靠性和稳定性已经非常高，而传感器和执行器已经成为控制系统失效的主要原因。据统计，传感器和执行器的故障占到总故障的80%左右。在这样的情况下对于控制系统的故障诊断就显得尤为重要[1]。

    以往对于执行的故障分析主要是基于仿真层面或者建立相应模型进行分析[2-3]。这样的研究往往在仿真过程中能得到较为理想的结果，但实际中并不能满足生产的需要[4]。本文着力于对实际执行器原理的研究，在充分分析了执行器的原理和故障发生的原因的基础上，提出一些切实可行的解决方法。

    1 执行器的工作原理

    执行器分为气动执行器、电动执行器和液动执行器，在此主要介绍DKJ角行程电动执行器[5]。DKJ角行程电动执行器的原理如图1所示。

图1 电动执行机构的工作原理图

图1中：I_i为输入电流即指令；I_f为变送器的反馈电流；输出量θ为执行器旋转的角度[1]。

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    DKJ角行程电动执行器是一个具有深度负反馈的闭合随动系统。它由伺服放大器和执行机构两部分组成。伺服放大器将输入信号I_i和来自执行机构的位置反馈信号I_f进行比较，将两者的偏差进行放大以驱动两相电动机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角。输出轴转角的变化又经过位置发送器按比例转换成相应的位置反馈电流I_f，反馈到伺服放大器的输入端。当I_i与I_f偏差为0时，两相电动机停止转动，输出轴稳定在与输入I_i相对应的位置上。电动执行机构输出轴转角θ与输入信号电流Ii之间的关系为[4]：

    θ=KIi（1）

    式中：K=9°/mA，可以近似看成一个比例环节。前置磁放大器是伺服放大器的主要部件，它是一个具有内部负反馈的直流双推挽式磁放大器，由四个结构完全相同的环形磁导体组成。它利用铁磁材料的非线性原理，将电流转换成电压输出。

    2 电动执行器的故障分析

    执行器的数学模型为（忽略其动态过程）[6]：

    y=α•x+β（2）

    式中：x和y分别为执行器的输入/输出；α和β为执行器的增益系数和零点误差，α和β对于不同的故障有不同的值。如图2所示，图中X轴的x表示变送器的反馈电流；Y轴的y变量表示输入电流即指令。

图2 电动执行器的故障机理分析图

  图2中：矩形范围内直线b，c与执行器的一种故障相对应，具体详解如下：

    ① 直线a（α=1，β=0）表示执行器正常工作。
    ② 直线b（α≠1）表现为执行器的增益出现突变或缓变，此故障在工程中常见。当α=0时即表现为执行器的卡死故障。
    ③ 直线c表现为执行器出现的恒偏差故障。

    执行器的故障主要有死区故障、自振荡故障、卡死故障、恒偏差故障、恒增益故障这五种故障[7]。它们占到了故障总数的绝大部分。在实际的DCS系统中执行器的输入信号、执行器的反馈信号、执行器的控制结果输出转速等可以直接得到。只要充分分析上述三个量值就可以对执行器的故障类型作出判断。下面分别对各个故障进行分析，所得图形是通过DABLib（Matlab-Simlink执行器模型库）搭建模型仿真基础上所得。

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    2.1 死区故障

    死区故障又分为死区太大故障和自振荡故障。伺服放大器的死区取决于触发器，触发器中单结晶体管峰值电压所对应的差值大于或等于150μA。如果执行器的死区太大，则会使执行器输出不能很好地跟踪输入信号。很可能使执行器阀门滞留在某个位置不动作，即调节器输出信号不能对整个系统进行控制，造成控制系统的控制性能快速下降，此时极易造成故障。死区故障主要通过观测输入信号和反馈阈值信号进行检测。当延迟时间超过正常值即认为发生了死区故障，如图3所示。当大约40s时反馈阈值信号明显超出正常值，这时可认为执行器发生了死区故障。

图4 恒偏差故障

2.3 恒增益故障 

    故障描述：位置发送器将执行机构输出轴全程范围0～90°的角位移信号转换成与之成比例0～10mA的直流信号，此信号反馈到伺服放大器的输入端。如果0～10mA的电流输出不能对应0～90°的角位移，比如只对应0～85°的角位移，此时就会出现恒增益故障。执行器的增益定义为输出阈位和输入指令的比例关系。增益α可定义为：

       （3）

    式中：Δx为阈位变化量；Δν为输入指令的变化量。首先估计执行器的增益，即统计一段时间内，阈位与指令变化速度均值的比值作为执行器增益的估计值。诊断方法的应用如图5所示。

图5 恒增益故障

 图5（a）给出执行器指令和阀位的变化，执行器增益在100s时由1变为017。图5（b）给出增益的估计值，在大约160s时增益的估计稳定在017附近。

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    解决的办法是调节电动操作器，使执行机构满量程在90°位置。然后打开位置变送器的罩盖，调整电位器W3，使反馈达到10mA。这样就使得反馈电流与执行器旋转的角度达到一一对应，满足了实际工作的需要。

     2.4 卡死故障

    卡死故障有两种表现：①一段时间内，指令变化程度较大，而反馈不随指令变化；②当指令不变化时，反馈和角度也不变化，但反馈和指令相差很大。这种情况在现场很容易判断，最主要的特征是反馈信号很长时间不发生变化。如图6所示，指令信号变化幅度非常大，但是反馈信号一直不变化。这样的情况认定为卡死故障。

图6 卡死故障

解决的方法是检查执行器凸轮是否超出满量程，再进一步检查位置发送器内部的推杆是否被卡住。

3 结束语

通过以上分析，我们可以知道，只要针对不同的故障采取不同的信号处理方法，加以分析就能够很好地诊断故障。在实际应用中利用诊断的结果调节相应的电位器就能迅速地排除故障。以上诊断方法也可以用于其他类型的执行器，只要提取相应的特征量信号加以分析就能够进行正确的故障诊断。从而为生产的顺利进行提供保障。

该诊断方法与以往不同之处在于：①不需要建立复杂的数学模型就可以实现电动执行器的故障诊断。只需利用现有DCS中的输入信号、反馈信号以及执行器控制结果输出，通过不同的算法就可以实现不同故障的诊断；②深入分析执行器的工作原理和电路图，总结出故障产生的原因，为故障的排除提供指导。