地磅傳感器的故障診斷技術(shù)是一門(mén)綜合學(xué)科，涉及到許多領(lǐng)域。故障診斷技術(shù)的出現為提高測控系統的可靠性提供了 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。

現代測控系統經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展朝向大規模、復雜化方向 發(fā)展，但是這種控制系統的故障一旦發(fā)生就很容易造成人員 傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。因此如何保證現代控制系統的可 靠性和安全性非常重要。傳感器是任何控制系統不可缺少 的部件，它的好壞直接關(guān)系到設備的運行狀態(tài)，甚至關(guān)系到 安全問(wèn)題。但是傳感器也是最容易出故障的環(huán)節，據研究統 計在實(shí)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(gè)研究領(lǐng)域，出現了多種故障 診斷的方法。本文將對傳感器的故障診斷技術(shù)做簡(jiǎn)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(xiàn)性傳感器的故障診斷發(fā)展 較為成熟。從最簡(jiǎn)單的檢測濾波器、廣義似然比、極大似然 比到基于觀(guān)測器/濾波器的方法、參數估計方法、系統辨識法 和一致空間法等。但是這些方法都是基于線(xiàn)性定常系統模 型的。實(shí)際應用中許多測控系統都是非線(xiàn)性的，這就使得對 于這類(lèi)系統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(shí)際測控系統的生產(chǎn)對象本身大多是非線(xiàn)性系統，這就 使基于線(xiàn)性系統故障診斷方法不能取得很好的效果。但是， 近年來(lái)，隨著(zhù)非線(xiàn)性理論、先進(jìn)算法、信號處理和智能控制的 深入研究，非線(xiàn)性系統的故障診斷技術(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。

現分別對這幾類(lèi)方法進(jìn)行討論。

二、依賴(lài)解析模型的方法

基于分析模型的非線(xiàn)性系統故障診斷主要有兩種方法: 一是線(xiàn)性化方法，另一類(lèi)是非線(xiàn)性模型的方法。線(xiàn)性化方法 進(jìn)行線(xiàn)性化的非線(xiàn)性系統在一個(gè)工作點(diǎn)或幾個(gè)操作點(diǎn)，用一 個(gè)線(xiàn)性的模型集來(lái)表示系統，將擾動(dòng)、誤差和噪聲當做未知 量輸入，對未知輸入設計為矩陣解耦的方法，以此來(lái)構造殘 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(dòng)的影響。而非線(xiàn)性模型的方法則是利用自適應非線(xiàn)性觀(guān) 測器、濾波器等方法來(lái)設計診斷算法。因為這些方法基本都 是針對某一特定的非線(xiàn)性系統的，因此算法的通用性不強， 算法并不是很完善。

線(xiàn)性化方法

1.近似化方法

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

2.精確線(xiàn)性化

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

3.觀(guān)測器方法

最早的研究是建立一個(gè)全階觀(guān)測器，觀(guān)測器增益矩陣可 以在線(xiàn)調整的結構殘差序列未知的隨時(shí)間變化的參數或緩 慢變化的漂移故障的殘差序列的影響進(jìn)行補償。文獻中 提到了用降階觀(guān)測器的設計來(lái)替代全階觀(guān)測器，但它只適用 于突變的故障。Bastin等人提出了一種簡(jiǎn)單的自適應觀(guān)測 器的設計可應用于非線(xiàn)性系統，他們認為處理一些非線(xiàn)性系 統的特性可以作為未知參數，通過(guò)對未知參數的在線(xiàn)辨識非 線(xiàn)性觀(guān)測器，未知干擾設計、參數時(shí)變和不精確的模型可以 通過(guò)參數辨識的體現。

4.濾波器法

相比于觀(guān)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，采用擴展卡爾曼濾波算法可直接估計，殘 余結構，但魯棒性的模型失配，和初始值是已知的，噪聲的統 計特性是已知的，彼此不相關(guān)。如果噪聲的統計特性是未知 的，將產(chǎn)生殘差，該算法漸變型故障不敏感。

三、不依賴(lài)模型的方法

目前的控制系統越來(lái)越復雜，由于現實(shí)中對控制系統要 建立精準的解析數學(xué)模型難度較大，并且在存在建模誤差 時(shí)，將會(huì )出現誤報、漏報現象。因此具有不需要對象精確模 型且具有良好適應性的不依賴(lài)于模型的故障診斷方法越來(lái) 越受人們的重視。

1.專(zhuān)家系統法

專(zhuān)家診斷法經(jīng)歷了二代的發(fā)展，第一代專(zhuān)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(zhuān)家故障診斷方法，均是通過(guò)對傳感器知識的系統提 取，在計算機里整理成故障規則庫，然后總結現場(chǎng)專(zhuān)家的個(gè) 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學(xué)模型，而是利用隸 屬函數和模糊規則進(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(gè)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(yǔ)言集合表示能更準確地反映故障與 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(xiàn)性、自學(xué)習、高容錯性和并行處理能 力，因此在非線(xiàn)性故障診斷中具有很強的優(yōu)勢。在模擬電路 的故障診斷時(shí)應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，其作用是類(lèi)似于模式識別 法中的分類(lèi)器。但是要構建一個(gè)完整的模式識別系統，神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò )訓練所需的數據準備是必不可少的一個(gè)環(huán)節。從電路 板上所采集的原始數據大多都是粗糙的，沒(méi)有體現出良好的 故障特征，因此在構建一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )前需要對數據進(jìn)行預處 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信號。小波分析 方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法相似，對系統的要求不高。它不僅克服 了傳統硬件冗余和分析冗余的缺點(diǎn)，而且結合了這兩種方法 的優(yōu)點(diǎn)。小波分析是將信號疊加成一系列小波函數。它基 于局部化函數所形成的小波基，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(shí)域和頻域局部化特性。用小波 分析方法分析信號時(shí)，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(shí)間窗口和頻率。小波分析是 一種時(shí)域局部化分析方法，它在低頻和低時(shí)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(shí)間分辨率。

從診斷的角度來(lái)看，任何類(lèi)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(gè)方面的信息來(lái)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(lèi)型。對于更復雜的系統，各種診斷方法經(jīng)常被綜合 起來(lái)用來(lái)建立一個(gè)診斷系統。從發(fā)展趨勢來(lái)看，開(kāi)發(fā)一種更 加智能化的方法，對各種診斷方法的綜合應用更為重要。