專(zhuān)利名稱(chēng)：一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
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(wú)人值守監(jiān)測(cè)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(chē)、船及各類(lèi)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(dòng)、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(lái)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(guó)家戰(zhàn)略安全和國(guó)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(chē)、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(xiàn)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?chē)?guó)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(guó)“鑫諾二號(hào)”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(hào)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)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種電子系統(tǒng)可靠性高的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。為解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:一種實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(dòng)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(dòng)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。本實(shí)用新型實(shí)時(shí)在線(xiàn)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(cè)結(jié)果，建立關(guān)鍵器件失效與電源失效的動(dòng)態(tài)模型，電源失效的在線(xiàn)閉環(huán)測(cè)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(xiàn)可測(cè)，提供電源故障、劣化和愈合測(cè)試、判斷、處理、評(píng)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為本實(shí)用新型實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)控閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路方框圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)控閉環(huán)控制系統(tǒng)的DC/DC電源系統(tǒng)框圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)時(shí)在線(xiàn)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)施方式
請(qǐng)參閱圖1至圖3所示，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:一種實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(dòng)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(dòng)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。通過(guò)“關(guān)鍵器件失效一物理參數(shù)變化一閉環(huán)傳遞函數(shù)零、極點(diǎn)變化一系統(tǒng)傳遞函數(shù)變化一系統(tǒng)狀態(tài)變化”，研究關(guān)鍵器件的失效對(duì)電源失效的影響，通過(guò)對(duì)電源閉環(huán)系統(tǒng)的測(cè)量，將不可測(cè)的失效轉(zhuǎn)化為在線(xiàn)可測(cè)；方法研究主要是提取器件失效造成的電源狀態(tài)改變，采用直接測(cè)量和激勵(lì)測(cè)量相結(jié)合，直接測(cè)量電源系統(tǒng)等特征狀態(tài)；激勵(lì)測(cè)量，則通過(guò)對(duì)系統(tǒng)施加激勵(lì)，監(jiān)測(cè)、記錄響應(yīng)全時(shí)域過(guò)渡過(guò)程，并諧波平衡法確定信號(hào)頻譜成分；評(píng)估階段需對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、分析、判斷、決策，分別對(duì)愈合特征狀態(tài)做相應(yīng)處理，并對(duì)判斷的可信度進(jìn)行評(píng)估；最后，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的驗(yàn)證平臺(tái)，在苛刻環(huán)境(熱應(yīng)力作用)下驗(yàn)證電源系統(tǒng)關(guān)鍵器件失效及對(duì)電源影響研究的正確性、實(shí)現(xiàn)電源失效在線(xiàn)測(cè)試技術(shù)可信度評(píng)估。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(cè)DC/DC閉環(huán)傳遞函數(shù)零、極點(diǎn)的移動(dòng)，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(huì)造成DC/DC關(guān)鍵狀態(tài)的時(shí)變，只要測(cè)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(duì)策，防止事故擴(kuò)展。當(dāng) 電解電容劣化、故障時(shí)，電解電容C和ESR&GFilt(s)變化，同時(shí)還造成系統(tǒng)穿越頻率變化；M0SFET劣化、故障時(shí)，導(dǎo)通電阻Ron和分布參數(shù)V，U ,C1變化，MOSFET高頻極點(diǎn)向ω軸O點(diǎn)左移；DC/DC閉環(huán)傳遞函數(shù)變化可以通過(guò)實(shí)測(cè)DC/DC輸出狀態(tài)。如電容上電壓和電感上電流或測(cè)量DC/DC在δ函數(shù)激勵(lì)下的時(shí)間響應(yīng)過(guò)程得到。研究關(guān)鍵器件的故障、劣化、愈合三種失效模式導(dǎo)致的參數(shù)變化對(duì)電源系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)零、極點(diǎn)及系統(tǒng)狀態(tài)的影響，建立關(guān)鍵器件失效與電源系統(tǒng)失效之間的關(guān)系。利用PSpice、Saber軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，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。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(cè)的特征狀態(tài)，如電源系統(tǒng)的輸入VsIs A Is，輸出
V010 V0 10，等效輸出、輸入阻抗Z。，Zi和開(kāi)關(guān)周期及開(kāi)關(guān)占空比D等，若數(shù)據(jù)超過(guò)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(guò)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(cè)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。[0017]采用δ函數(shù)激勵(lì)方法可以得到系統(tǒng)全頻的響應(yīng)，由于系統(tǒng)由若干高階系統(tǒng)組成，當(dāng)施加激勵(lì)信號(hào)后，對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，可得到閉環(huán)傳遞函數(shù)的零、極點(diǎn)位置。對(duì)輸出的時(shí)域信號(hào)的超調(diào)量、包絡(luò)、上升和調(diào)整時(shí)間分析確定關(guān)鍵器件的故障、劣化；還可采用諧波平衡法確定信號(hào)頻譜成分、計(jì)算參數(shù)(如:三階截取點(diǎn)、總諧波失真及交流失真分析)、執(zhí)行電源放大器負(fù)載激勵(lì)回路分析、執(zhí)行非線(xiàn)性噪聲分析等分析電源失效。將自主開(kāi)發(fā)的驗(yàn)證平臺(tái)放置于高精度可控溫箱中，分別在不同熱應(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(cè)和δ函數(shù)激勵(lì)響應(yīng)數(shù)據(jù)，分別對(duì)FFP，DFP和愈合特征信號(hào)做相應(yīng)的處理，分析、判斷和決策，對(duì)故障預(yù)報(bào)、劣化監(jiān)測(cè)(剩余使用壽命測(cè)量)和愈合記錄分析的可信度進(jìn)行評(píng)估。本實(shí)用新型實(shí)時(shí)在線(xiàn)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(cè)結(jié)果，建立關(guān)鍵器件失效與電源失效的動(dòng)態(tài)模型，電源失效的在線(xiàn)閉環(huán)測(cè)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(xiàn)可測(cè)，提供電源故障、劣化和愈合測(cè)試、判斷、處理、評(píng)估方法，并提供相應(yīng)的決策，電子系統(tǒng)的可靠性升高。以上所述，僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何不經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性勞動(dòng)想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該`以權(quán)利要求書(shū)所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.一種實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(dòng)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(dòng)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所述的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，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(dòng)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(dòng)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(cè)結(jié)果，建立關(guān)鍵器件失效與電源失效的動(dòng)態(tài)模型，電源失效的在線(xiàn)閉環(huán)測(cè)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(xiàn)可測(cè)，提供電源故障、劣化和愈合測(cè)試、判斷、處理、評(píng)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(hào)G01R31/40GK203117830SQ20132014344
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者吳立鋒, 關(guān)永, 鄭學(xué)艷, 唐武兵, 王國(guó)輝, 潘巍, 李曉娟 申請(qǐng)人:首都師范大學(xué)