專利名稱：一種實(shí)時(shí)監(jiān)測閉環(huán)控制系統(tǒng)及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)時(shí)在線監(jiān)測閉環(huán)控制系統(tǒng)及其工作方法。
背景技術(shù)：
苛刻環(huán)境(如應(yīng)用在野外露天、礦井、空間等苛刻或危險(xiǎn)環(huán)境的無人值守監(jiān)測控制系統(tǒng))下DC/DC電源失效頻發(fā)，這些系統(tǒng)大多安裝在飛機(jī)、車、船及各類武器系統(tǒng)中，其工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，不僅存在熱應(yīng)力、振動、沖擊、電磁輻射等惡劣的應(yīng)力環(huán)境，工作在航天器中的電子系統(tǒng)還存在總劑量輻射和單粒子事件等。在這些惡劣環(huán)境下工作的電子系統(tǒng)失效率比正常環(huán)境下高得多，近年來電子系統(tǒng)失效統(tǒng)計(jì)表明34%的電子系統(tǒng)失效都是由電源系統(tǒng)的失效引起的。致使國家戰(zhàn)略安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的電子系統(tǒng)(如衛(wèi)星、航天器、艦船、高速列車、自然災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)等)的可靠性受到嚴(yán)重威脅。DC/DC電源是帶有閉環(huán)控制的高階-離散-非線性-時(shí)變系統(tǒng)。DC/DC電源失效直接造成電子系統(tǒng)的失效，為此，電源失效的研究一直備受國內(nèi)外的關(guān)注。傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)故障診斷是“事后救災(zāi)”處理；傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)使用壽命分析是依靠系統(tǒng)的失效率統(tǒng)計(jì)分析；傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)的健康狀況管理是依靠別人或前人經(jīng)驗(yàn)。例如，2006年11月，價(jià)值20億元的中國“鑫諾二號”因電源故障而宣布失效；2006年底升空的日本技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星8號因通信設(shè)備電源故障而功能失效；2009年I月，印度空間研究組織耗時(shí)26個(gè)月為歐洲通訊衛(wèi)星組織(ETL)研發(fā)的W2M通信衛(wèi)星，在成功發(fā)射五周后因電源系統(tǒng)故障失效成為太空垃圾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種電子系統(tǒng)可靠性高的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測閉環(huán)控制系統(tǒng)。為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種實(shí)時(shí)在線監(jiān)測閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括電源、功率變換器、輸出濾波器、采樣網(wǎng)絡(luò)、比較器、PWM控制器和驅(qū)動器，所述功率變換器、輸出濾波器、采樣網(wǎng)絡(luò)、比較器、PWM控制器和驅(qū)動器依次相連，所述電源包含輸入端電源電壓和輸出端電源電壓，所述功率變換器與輸入端電源電壓電性連接，所述輸出端電源電壓連接在輸出濾波整流器與采樣網(wǎng)絡(luò)之間。作為優(yōu)選，所述功率變換器設(shè)置有輸入端和輸出端，所述輸入端連接輸入端電源電壓，所述輸出端連接輸出濾波器。本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題是提供一種電子系統(tǒng)可靠性高的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作方法。為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:包括以下步驟:I)、建立電源關(guān)鍵器件劣化、故障造成電源系統(tǒng)失效的機(jī)理模型，并利用仿真技術(shù)，建立DC/DC電源的仿真模型，根據(jù)關(guān)鍵器件失效模式，改變關(guān)鍵器件的參數(shù)并注入仿真模型，驗(yàn)證所建關(guān)系的正確性；2)、研究電源失效特征狀態(tài)可觀性及可控性，直接采集DC/DC的可測的特征狀態(tài)；若數(shù)據(jù)超過正常給定工作區(qū)間的閾值，可能發(fā)生故障，需應(yīng)急處理；若超過正常閾值后還能緩慢退火恢復(fù)到正常態(tài)，可依愈合狀態(tài)處理；若能可靠地測量到這些狀態(tài)的時(shí)變率，可由擬合方法取得系統(tǒng)的劣化程度，計(jì)算剩余壽命；3)、將仿真模型驗(yàn)證平臺放置于高精度可控溫箱中，在不同熱應(yīng)力作用下，將不同老化程度的關(guān)鍵器件注入航空電源中，實(shí)時(shí)采集直接監(jiān)測和δ函數(shù)激勵響應(yīng)數(shù)據(jù)，分別做出相應(yīng)的處理，分析、判斷和決策，對故障預(yù)報(bào)、劣化監(jiān)測和愈合記錄分析的可信度進(jìn)行評估。作為優(yōu)選，所述電源關(guān)鍵器件為電解電容和M0SFET。本發(fā)明 實(shí)時(shí)在線監(jiān)控閉環(huán)控制系統(tǒng)的有益效果是:應(yīng)用閉環(huán)傳遞函數(shù)實(shí)測結(jié)果，建立關(guān)鍵器件失效與電源失效的動態(tài)模型，電源失效的在線閉環(huán)測試方式實(shí)現(xiàn)了電源故障實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)和劣化在線可測，提供電源故障、劣化和愈合測試、判斷、處理、評估方法，并提供相應(yīng)的決策，電子系統(tǒng)的可靠性升高。


圖1為本發(fā)明實(shí)時(shí)在線監(jiān)控閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路方框圖；圖2為本發(fā)明實(shí)時(shí)在線監(jiān)控閉環(huán)控制系統(tǒng)的DC/DC電源系統(tǒng)框圖；圖3為本發(fā)明實(shí)時(shí)在線監(jiān)控閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出電壓頻譜示意圖。
具體實(shí)施例方式請參閱圖1至圖3所示，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種實(shí)時(shí)在線監(jiān)測閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括電源、功率變換器、輸出濾波器、采樣網(wǎng)絡(luò)、比較器、PWM控制器和驅(qū)動器，所述功率變換器、輸出濾波器、采樣網(wǎng)絡(luò)、比較器、PWM控制器和驅(qū)動器依次相連，所述電源包含輸入端電源電壓和輸出端電源電壓，所述功率變換器與輸入端電源電壓電性連接，所述輸出端電源電壓連接在輸出濾波整流器與采樣網(wǎng)絡(luò)之間。所述功率變換器設(shè)置有輸入端和輸出端，所述輸入端連接輸入端電源電壓，所述輸出端連接輸出濾波器。建立電源關(guān)鍵器件(電解電容和M0SFET)劣化、故障造成電源系統(tǒng)失效的機(jī)理模型，從DC/DC閉環(huán)傳遞函數(shù)角度分析關(guān)鍵器件特征參數(shù)變化所造成DC/DC系統(tǒng)關(guān)鍵特征狀態(tài)的變化，從而可以依此監(jiān)測DC/DC閉環(huán)傳遞函數(shù)零、極點(diǎn)的移動，判斷DC/DC特征狀態(tài)的時(shí)變。電解電容關(guān)鍵參數(shù)有電容量C和等效串聯(lián)電阻ESR ;M0SFET關(guān)鍵參數(shù)有導(dǎo)通電阻Ron和分布參數(shù)。由于器件物理缺陷或環(huán)境突變，可能引起這些參量的突變(故障)或漸變(劣化)或突變后退火(愈合)，這些變化都會造成DC/DC關(guān)鍵狀態(tài)的時(shí)變，只要測量狀態(tài)變化，可以得到閉環(huán)傳遞函數(shù)的零、極點(diǎn)的變化，從而分析系統(tǒng)故障、劣化、愈合的狀態(tài)，實(shí)時(shí)采取管理對策，防止事故擴(kuò)展。DC/DC電源閉環(huán)傳遞函數(shù)為:
「00191 Φ(^) =-)'-
1+印帥)(I)其中系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)G (s) = Gmos (S).Gmt (S) (2)反饋通道傳遞函數(shù)
H(s) =GC0M(s) *GSafflp(s) (3)式⑵中
權(quán)利要求
1.一種實(shí)時(shí)在線監(jiān)測閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于:包括電源、功率變換器、輸出濾波器、采樣網(wǎng)絡(luò)、比較器、PWM控制器和驅(qū)動器，所述功率變換器、輸出濾波器、采樣網(wǎng)絡(luò)、比較器、PWM控制器和驅(qū)動器依次相連，所述電源包含輸入端電源電壓和輸出端電源電壓，所述功率變換器與輸入端電源電壓電性連接，所述輸出電源電壓連接在輸出濾波整流器與采樣網(wǎng)絡(luò)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)時(shí)在線監(jiān)測閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述功率變換器設(shè)置有輸入端和輸出端，所述輸入端連接輸入端電源電壓，所述輸出端連接輸出濾波器。
3.—種如權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)、建立電源關(guān)鍵器件劣化、故障造成電源系統(tǒng)失效的機(jī)理模型，并利用仿真技術(shù)，建立DC/DC電源的仿真模型，根據(jù)關(guān)鍵器件失效模式，改變關(guān)鍵器件的參數(shù)并注入仿真模型，驗(yàn)證所建關(guān)系的正確性； 2)、研究電源失效特征狀態(tài)可觀性及可控性，直接采集DC/DC的可測的特征狀態(tài)；若數(shù)據(jù)超過正常給定工作區(qū)間的閾值，可能發(fā)生故障，需應(yīng)急處理；若超過正常閾值后還能緩慢退火恢復(fù)到正常態(tài)，可依愈合狀態(tài)處理；若能可靠地測量到這些狀態(tài)的時(shí)變率，可由擬合方法取得系統(tǒng)的劣化程度，計(jì)算剩余壽命； 3)、將仿真模型驗(yàn)證平臺放置于高精度可控溫箱中，在不同熱應(yīng)力作用下，將不同老化程度的關(guān)鍵器件注入航空電源中，實(shí)時(shí)采集直接監(jiān)測和δ函數(shù)激勵響應(yīng)數(shù)據(jù)，分別做出相應(yīng)的處理，分析、判斷和決策，對故障預(yù)報(bào)、劣化監(jiān)測和愈合記錄分析的可信度進(jìn)行評估。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種實(shí)時(shí)在線監(jiān)測閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于:所述電源關(guān)鍵器件為電解電容和MOSFET。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實(shí)時(shí)在線監(jiān)測閉環(huán)控制系統(tǒng)及其工作方法，包括電源、功率變換器、輸出濾波整流器、采樣網(wǎng)絡(luò)、比較器、PWM控制器和驅(qū)動器，所述功率變換器、輸出濾波整流器、采樣網(wǎng)絡(luò)、比較器、PWM控制器和驅(qū)動器依次相連；所述電源包含輸入端電源電壓和輸出端電源電壓，所述功率變換器與輸入端電源電壓電性連接，所述輸出端電源電壓連接在輸出濾波整流器與采樣網(wǎng)絡(luò)之間。應(yīng)用閉環(huán)傳遞函數(shù)實(shí)測結(jié)果，建立關(guān)鍵器件失效與電源失效的動態(tài)模型，電源失效的在線閉環(huán)測試方式實(shí)現(xiàn)了電源故障實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)和劣化在線可測，提供電源故障、劣化和愈合測試、判斷、處理、評估方法，并提供相應(yīng)的決策，電子系統(tǒng)的可靠性升高。
文檔編號G05B13/04GK103197557SQ20131010111
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者關(guān)永, 吳立鋒, 單金生, 鄭宇 , 王國輝, 潘巍, 李曉娟 申請人:首都師范大學(xué)