地磅傳感器的故障診斷技術(shù)是一門綜合學(xué)科，涉及到許多領(lǐng)域。故障診斷技術(shù)的出現(xiàn)為提高測控系統(tǒng)的可靠性提供了 可能。本文對地磅傳感器的故障診斷技術(shù)做了綜述和對比。最后，對地磅傳感器故障診斷技術(shù)進(jìn)行了展望。

現(xiàn)代測控系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展朝向大規(guī)模、復(fù)雜化方向 發(fā)展，但是這種控制系統(tǒng)的故障一旦發(fā)生就很容易造成人員 傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此如何保證現(xiàn)代控制系統(tǒng)的可 靠性和安全性非常重要。傳感器是任何控制系統(tǒng)不可缺少 的部件，它的好壞直接關(guān)系到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，甚至關(guān)系到 安全問題。但是傳感器也是最容易出故障的環(huán)節(jié)，據(jù)研究統(tǒng) 計在實際發(fā)生的故障中，約有70%-80%的故障是源自于傳 感器故障。因此研究傳感器故障是十分有必要的。傳感器 的故障診斷技術(shù)研究涉及到多個研究領(lǐng)域，出現(xiàn)了多種故障 診斷的方法。本文將對傳感器的故障診斷技術(shù)做簡單的分 析和對比。

一、傳感器故障診斷技術(shù)綜述

在傳感器故障診斷方法中，線性傳感器的故障診斷發(fā)展 較為成熟。從最簡單的檢測濾波器、廣義似然比、極大似然 比到基于觀測器/濾波器的方法、參數(shù)估計方法、系統(tǒng)辨識法 和一致空間法等。但是這些方法都是基于線性定常系統(tǒng)模 型的。實際應(yīng)用中許多測控系統(tǒng)都是非線性的，這就使得對 于這類系統(tǒng)的分析與控制比較難，對于它的故障診斷也存在 較大的難度。

實際測控系統(tǒng)的生產(chǎn)對象本身大多是非線性系統(tǒng)，這就 使基于線性系統(tǒng)故障診斷方法不能取得很好的效果。但是， 近年來，隨著非線性理論、先進(jìn)算法、信號處理和智能控制的 深入研究，非線性系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)得到了迅速發(fā)展。它 主要是基于信號處理方法，基于知識的方法和基于分析模型 的診斷方法。如圖1所示。

現(xiàn)分別對這幾類方法進(jìn)行討論。

二、依賴解析模型的方法

基于分析模型的非線性系統(tǒng)故障診斷主要有兩種方法: 一是線性化方法，另一類是非線性模型的方法。線性化方法 進(jìn)行線性化的非線性系統(tǒng)在一個工作點(diǎn)或幾個操作點(diǎn)，用一 個線性的模型集來表示系統(tǒng)，將擾動、誤差和噪聲當(dāng)做未知 量輸入，對未知輸入設(shè)計為矩陣解耦的方法，以此來構(gòu)造殘 差進(jìn)行故障診斷的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不受誤差等擾 動的影響。而非線性模型的方法則是利用自適應(yīng)非線性觀 測器、濾波器等方法來設(shè)計診斷算法。因為這些方法基本都 是針對某一特定的非線性系統(tǒng)的，因此算法的通用性不強(qiáng)， 算法并不是很完善。

線性化方法

1.近似化方法

早期故障診斷方法是基于近似線性化技術(shù)，如平均法、 擬線性化方法、線性化族方法、擴(kuò)展線性化方法和近似輸入/ 輸出線性化方法。對于非本質(zhì)不甚嚴(yán)重的非線性對象，我們 可以用公式來近似輸入/輸出線性化。

2.精確線性化

在過去的二十年中，微分幾何的精確線性化為非線性系 統(tǒng)的分析和綜合提供了支持。線性故障診斷方法可應(yīng)用于 線性模型。對于具有不同條件的非線性對象，多模型方法可 以處理多個操作點(diǎn)，使整個模型可以用來近似的非線性模型 的切換干擾，可能會導(dǎo)致誤報。

3.觀測器方法

最早的研究是建立一個全階觀測器，觀測器增益矩陣可 以在線調(diào)整的結(jié)構(gòu)殘差序列未知的隨時間變化的參數(shù)或緩 慢變化的漂移故障的殘差序列的影響進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)中 提到了用降階觀測器的設(shè)計來替代全階觀測器，但它只適用 于突變的故障。Bastin等人提出了一種簡單的自適應(yīng)觀測 器的設(shè)計可應(yīng)用于非線性系統(tǒng)，他們認(rèn)為處理一些非線性系 統(tǒng)的特性可以作為未知參數(shù)，通過對未知參數(shù)的在線辨識非 線性觀測器，未知干擾設(shè)計、參數(shù)時變和不精確的模型可以 通過參數(shù)辨識的體現(xiàn)。

4.濾波器法

相比于觀測器法，濾波器法的計算量要大的多，但它是 要求不高的模型，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法可直接估計，殘 余結(jié)構(gòu)，但魯棒性的模型失配，和初始值是已知的，噪聲的統(tǒng) 計特性是已知的，彼此不相關(guān)。如果噪聲的統(tǒng)計特性是未知 的，將產(chǎn)生殘差，該算法漸變型故障不敏感。

三、不依賴模型的方法

目前的控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，由于現(xiàn)實中對控制系統(tǒng)要 建立精準(zhǔn)的解析數(shù)學(xué)模型難度較大，并且在存在建模誤差 時，將會出現(xiàn)誤報、漏報現(xiàn)象。因此具有不需要對象精確模 型且具有良好適應(yīng)性的不依賴于模型的故障診斷方法越來 越受人們的重視。

1.專家系統(tǒng)法

專家診斷法經(jīng)歷了二代的發(fā)展，第一代專家故障診斷方 法是基于淺知識的，而第二代則是基于深知識的。不論是哪 一代專家故障診斷方法，均是通過對傳感器知識的系統(tǒng)提 取，在計算機(jī)里整理成故障規(guī)則庫，然后總結(jié)現(xiàn)場專家的個 人的經(jīng)驗進(jìn)行推斷，進(jìn)行故障診斷。

2.模糊推理的診斷方法

模糊診斷不需要診斷對象的精確數(shù)學(xué)模型，而是利用隸 屬函數(shù)和模糊規(guī)則進(jìn)行模糊診斷。在故障診斷中，故障征兆 具有模糊性，如果存在多個故障點(diǎn)，則故障與征兆之間的關(guān) 系是模糊的，利用模糊語言集合表示能更準(zhǔn)確地反映故障與 征兆的關(guān)系。

3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性、自學(xué)習(xí)、高容錯性和并行處理能 力，因此在非線性故障診斷中具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。在模擬電路 的故障診斷時應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其作用是類似于模式識別 法中的分類器。但是要構(gòu)建一個完整的模式識別系統(tǒng)，神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練所需的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是必不可少的一個環(huán)節(jié)。從電路 板上所采集的原始數(shù)據(jù)大多都是粗糙的，沒有體現(xiàn)出良好的 故障特征，因此在構(gòu)建一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處 理，以便提取的向量能很好表征故障的特征。

4.小波分析

小波分析主要用于分析和處理非平穩(wěn)信號。小波分析 方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相似，對系統(tǒng)的要求不高。它不僅克服 了傳統(tǒng)硬件冗余和分析冗余的缺點(diǎn)，而且結(jié)合了這兩種方法 的優(yōu)點(diǎn)。小波分析是將信號疊加成一系列小波函數(shù)。它基 于局部化函數(shù)所形成的小波基，具有許多特殊的性質(zhì)和優(yōu) 點(diǎn)。小波分析具有良好的時域和頻域局部化特性。用小波 分析方法分析信號時，分析中所用窗口的大小不變，但窗口 的形狀可以改變，即可以改變時間窗口和頻率。小波分析是 一種時域局部化分析方法，它在低頻和低時間分辨率下具有 較高的頻率分辨率，在高頻部分具有較低的頻率分辨率和高 的時間分辨率。

從診斷的角度來看，任何類型的診斷信息是模糊的和不 確定的。任何一種診斷對象，只有一個方面的信息來反映其 狀態(tài)是不完整的。每種方法都有其自身的特點(diǎn)，適用于不同 的故障類型。對于更復(fù)雜的系統(tǒng)，各種診斷方法經(jīng)常被綜合 起來用來建立一個診斷系統(tǒng)。從發(fā)展趨勢來看，開發(fā)一種更 加智能化的方法，對各種診斷方法的綜合應(yīng)用更為重要。