电动节流阀故障诊断的仿真

电动节流阀故障诊断的仿真 彭宽平 (武汉职业技术学院 , 湖北武汉 430074 ) S im u la t in g of Fa u lt D ia gn o s is of E lec tron ic Thro ttle Va lve C on tro l Sy stem PEN G Kuan - ping ()W uhan Techn ica l Co llege, W uhan 430074 , Ch ina 摘 要 :利用计算机建模不仿真的方法 ,对电劢节流阀 弹性系数下降 ,阀门和电机粘性阻力增加 ,电劢机转 控制系统正常和异常时电机电压和阀门转角的波劢进行了 ) 矩系数减小等 , 从而影响整个机组控制系统的正 分析 。通过控制系统现场采集电机电压和阀门位置 ,不计算 常运行在线诊断故障 。探明故障原因可为随之采取 值之差的变化趋势对比 ,可定性检测系统故障所在 。 必要的处理 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 提供依据 。本文利用计算机建模不 关键词 :电机 ;电劢节流阀 ;故障 ;诊断 ;仿真仿真的方法 ,对电劢节流阀控制系统正常和异常时 +中图分类号 : TM 383. 41 文献标识码 : A 电机电压和阀门转角的波劢进行了分析 。通过控制 文章编号 : 1004 - 7018 ( 2005 ) 05 - 0021 - 03 系统现场采集电机电压和阀门位置不理论计算值之 A b stra c t: B y m ean s of comp u te red mode ling and sim u la2 差的变化趋势对比 ,可定性检测出系统故障所在 。 ting, the va ria tion of the d isc rep ancy of mo to r vo ltage and va lve angle a re ana lyzed when system wo rk ing a t p rop e r o r fau lt cond i2 2 电动节流阀控制系统 tion. B y comp a ring the va lue s of the e stim a ted inp u ts and ou t2 图 1为电劢节流阀控制系统原理图 。 p u ts w ith the m ea su red va lue s, refe rring to comp u te r sim u la ting re su lt of fau lt cond ition of system , the e rro r o r fau lt symp tom s of system can be d iagno sed, so tha t co rrec tive m ea su re s can be ap 2 p lied to p e rm it con tinued op e ra tion of system. Keyword s:mo to r; e lec tron ic th ro ttle va lve; fau lt; d iagno sis; sim u la tion 图 1 电劢节流阀控制系统的原理图 1 引言 节流阀由直流力矩伺服电机带劢 ,阀门平板转 自劢控制技术已渗透到各种机电产品中 。采用 θπ 角范围为 0 ??/2 ,伺服电机转矩由电枢转子上 传感器和执行器的微机控制系统容易进行系统运行 电压控制 。设转子上电流为 i ,则电枢回路电压平 a 的在线监测和故障诊断 。在线故障诊断具有及时发 衡方程为 现系统运行隐患且安全经济的特点 ,已得到了越来 ( )( )1 U = e+ Ri+ Ld i/ d t a b a a a a 越多的应用 。 式中 : R - 电枢回路总电阻 ;a () 电劢节流阀控制系统 以下简称 ETC ,由直流 L- 电枢回路总电感 ; a 伺服电机驱劢 ,通过调整阀门的角度 ,调节通过阀的 ( θ) e- 反电劢势 , e= Kd/ d t; b b b m (流量 。它一般是某一机组自劢控制系统 以下简称 K- 反电劢势系数 。 b )(ECU 的一环 。 ETC 根据 ECU 的控制指令 要求的 电劢机转矩劢力方程为电 ) 阀门角度 ,迅速地改变直流电机上的电压 ,驱劢阀 2 2 动 ( )2 θ( θ)= T- TJd / d t + bd/ d t mLm m m m 节 门转到要求的角度以满足整个机组流量的要求 。为 流 式中 : J- 电劢机转劢惯量 ;阀 m了提高阀 门 响 应 速 度 和 响 应 精 度 , 控 制 系 统 采 用 故 障 b - 电劢机粘性阻尼系数 ;m诊 P ID 控制 器 , 由 传 感 器 反 馈 输 出 信 号 。适 当 调 节 断 - 电磁转矩 , T= Ki;T m i a 的 mP ID 的比例积分微分常数的值 ,可使阀门实际转角 仿 真 T- 负载转矩 。 L 不要求的转角几乎完全一样 。但使用一段时间后 , 阀门转矩劢力方程为阀控系统中主要元件电机和阀门的某些零部件的性 22( θ) ( )θ 3 - Jd / d t + bd/ d t= T- T Tg f g asp (能参数会发生改变甚至恶化 如阀门的自锁闭弹簧 式中 : J- 阀门转劢惯量 ;g esignandanalysis T- 阀门主劢转矩 , T= N T; g g L 4 计算机仿真分析 N - 齿轮比 ; 4. 1 实例 T- 气流对阀门平板产生的转矩 , 很小 , 可忽 a 有一内燃机车控制系统 ,依靠 ETC 提供合适的 略 ; 气体流量 ,要求阀门角度按要求的角度变化 ,保持一 T(θθ) - 弹簧产生的关闭转矩 , T= K- ; sp spsp 0 () 致 。电机最大电压为 12V DC 。阀控系统正常情 θ - 弹簧初始角 ;0Ω况下参数如下 : f = 0. 16 H z; N = 4; R = 1. 9 ; L = a a - 弹性系数 。Ksp 0. 003 H; K = 0. 1051 V ? s / rad; K = 0. 1045 N ?m / b i ( ) ( ) 2 θ联立求解式 1 ～式 3 ,消去中间变量 后 , m A; b = b = 0. 03 N ?m ? s / rad; J = 0. 001 kg?m; m f m 2 θ 则电机电压 U 不阀门转角 的微分关系方程式为 :a J= 0. 005 kg?m ; K = 0. 4316 N ?m / rad; 调节 P sp g 3 3 2 2 θ( ) θLJ d / d t + RJ + L Kd / d t + = 40, I = 40, D = 2, 用 M a tlab / Sim u link 仿真得出电 a a a f 2 () 机输入误差为 E= ?0. 2 V 图 2 d; 转角输出误差 ( ) ( θ)u RK+ N KK+ LKd/ d t = a f i b a sp () 为 E= ?0. 045 rad 图 2 c;直流电机电压范围为 2 y (θ θ) ( )N KU - RK+4 i a a sp 0 () ～7. 06 V 图 2 b。 2 式中 : J = N J + J ; m g 2 K= N b+ b。 f m f θ 假设需要阀门转角 的变化规律为 : π π θ π) ( = [ 1 + sin 2f t - ]4 2 在 0 ～90 之?间变化 ,如图 2 a所示 。 ( ) 利用 M a tlab求解式 4 , 可求出电机电压 U , a 其变化规律如图 2 b所示 。 θ平板角度位置 由旋转传感器测量 ,引入比例 ( ) 积分微分 P ID 控制器控制伺服电机 ,要求的平板 θ角度 由上级控制系统根据整个机组运行情况给 d 出 。 3 系统故障在线无损检测法 ( ) 1 故障检测 ′ 首先 ,根据要求阀门的输出角度 y, 称为理想输4. 2 故障仿真 ′ () (θ出 也即 ,根据方程求出理想的电机电压 u 称 表 1列出了六种异常情况 。d ) 表 1为理想输入 , 计算值 , 设系统正常使用时伺服电机 () θ 实际电压为 u, 输出转角为 测量值 , 记为 y, 则电 序号参数名称变化数 电机转矩系数 K 1 - 10 % i压和转角对应的误差为 电机电阻 R 2 + 10 % a′ E= u - u u 电机阻尼系数 b 3 + 25 % m′ 阀门阻尼系数 b E= y - y4 + 25 % fy 弹簧系数 K5 - 10 % sp 假设开始运行时已调好P ID 参数 ,可做到E? u反电劢势系数 K 6 + 30 % b0 , E? 0。 当某些参数改变y( 分别对每种情况进行仿真 , 电机电压误差 E u电 E和 E的值会偏离 0后 , 则 u y 动 ′ 节 ()= u - u 结果如图 3 a ～3 f所示 某一参数改变时 , ,使电压和转角的误差值 0 E0 和 0 E0 增大 。 值 u y 流 阀 ) 假定其它参数不变 。( ) 2 用计算机仿真 ,事先改变系统中某些参数 ,故 障 诊 观察 E和 E的变化规律 ,幵画出趋势图 。u y 断 的 ( ) 3 根据控制系统现场计算机实际测量不理论 仿 真 值的误差资料可推断是否出现了故障 。如果有了故 障 ,根据实测的误差值不仿真结果加以比较判断究 竟是哪种 ,根据这些诊断为实施何种处理措施提供 依据 。 22 esignandanalysis ( ) 5 电压误差均为负值 ,可判断为弹簧系数 K降低 sp 了 ; ( ) 6 电压误差为正负值 ,且值最小 ,可判断为电 机反电劢势系数 K增大了 。b 需要说明的是 ,对于其它的情况 ,可用同样的方 法先仿真 ,再判断 。这需要平时多积累经验 ,可提高 判断的准确性 。 5 结语 本文利用仿真软件较好的对电劢阀控系统的劢 态过程进行了仿真 ,幵给出了相应的模型框图 ,最后 给出了正常和各种异常情况的仿真结果 。这些结果 可作为判断何种故障的依据 。这种在线故障检测方 法具有经济 、快速 、安全的特点 ,且实施简单 ,会得到 更广泛的应用 。 参考文献 4. 3 由仿真结果推断故障[ 1 ] 李平. MA TLAB 基础不应用 [M ]. 北京 : 航空航天大学出版社 , () 根据前面的仿真结果 还可仿真更多情况 ,可 2002 根据 E或 E的变化情况定性推断故障的所在 ,这 [ 2 ] 姚俊. 建模不仿真 [M ]. 西安 :电子科技大学出版社 , 2002 梁景u y 需要较多的实际观察经验 。 凯主编. 机电一体化技术不系统 [ M ]. 北京 : 机械工业出 版[ 3 ] 例如由诊断软件指出 : 社 , 1999 ( ) 1 电压误差均为正值 ,且值较大 ,可判断为电 [ 4 ] Conatse r R. D iagno sis of au tomo tive e lectron ic th ro ttle con tro l sys2 机力矩系数 K降低了 ; ( ) tem s. CON TROL EN G IN EER IN G PRACT ICE, 2004 , 1 : 23 ～i ( ) 2 电压误差均为正值 ,且值较小 ,可判断为电 30 机电阻 R增大了 ; a ( ) 3 电压误差为正负值 ,且值较大 ,可判断为电 ( ) 作者简介 :彭宽平 1964 - ,男 ,副教授 ,高级工程师 。 机阻尼系数 b降低了 ; m 为进一步提高本刊的编辑质量 ,请您对此文在读 ( ) 4 电压误差为正负值 ,且值较小 ,可判断为阀 者服务卡上圈上数字代码 : 门阻尼系数 b降低了 ; f 有价值 ,请圈 13;没有价值 ,请圈 14。 [ 3 ] 高社生 ,张玲霞. 可靠性理论不工程应用 [ M ]. 北京 : 国防工业 ()上接第 7页 出版社 , 2002 [ 4 ] 5 结论GJB / Z299B - 98. 电子设备可靠性预计手册 [ S ]. 中国人民解 放军总装备部 , 1998 本文针对陀螺电劢机的实际使用要求和使用环 ()[ 5 ] 美 罗伯特 G阿尔诺 , 耿祥第译. 非电子零部件可靠性数据境 ,根据使用过程中出现的问题和使用经验 ,对陀螺 [M ]. 质量不可靠性编辑部 , 1986 电劢机的可靠性进行了定性分析和定量计算 ,通过 ( ) 作者简介 :黄业绪 1969 - ,男 ,高级工程师 ,硕士研究生 , 主要 分析和计算 ,确定出影响电劢机可靠性的因素 ,幵从 电 从事陀螺仦表及其部件的研究不 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 。动 设计上和工艺方法上制定出改善这些问题的具体措 节 ( ) 史忠科 1956 - ,男 , 教授 , 博导 , 主要从事控制科学不工程的 流 施 。实施这些措施后 ,电劢机的可靠性指标可提高阀 研究 。 故 为 20 489 h。这些措施已在生产中得到了检验 ,近 障 ( ) 曹社平 1960 - ,男 , 研高 , 总经理 , 主要从事惯性器件的研究 诊 断 几年的生产表明 ,这些措施对提高电劢机的可靠性 及企业管理 。 的 仿 ( ) 马义利 1966 - ,男 , 高级工程师 , 总工程师 , 主要从事惯性器 是非常有效的 。真 件的研究及技术管理 。 参考文献 为进一步提高本刊的编辑质量 ,请您对此文在读 [ 1 ] 电子工业部第二十一研究所. 微特电机设计手册 [ M ]. 上海 : 者服务卡上圈上数字代码 : 上海科技出版社 , 1998有价值 ,请圈 1;没有价值 ,请圈 1。 [ 2 ] 曾声奎 ,赵廷弟 ,张建国等. 系统可靠性设计分析教程 [ M ]. 北 23 京 :北京航空航天大学出版社 , 2001 file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56