摘要：本文重点研究智能电液比例控制放大器的可靠性设计问题。在简要论述集散型控制系统可靠性理论的基础上，提出放大器硬件电路的可靠性设计。
关键词：智能控制器　可靠性　电液比例控制
study on increasing the reliability of inlingent electrohydraulic proportional control amplifier
fang jiandong et al
abstract:the paper has studied on the reliability of the developed inligent　electrohydraulic proportional amplifier.on the basis of discussing the reliability　theory by total distributed control systems, it puts forward the reliability design　of series hardware circuit.
keywords:inligent controller　electrohydraulic proportional control
1　概述
可靠性技术是近代科学技术提出的新课题。在可靠性成为机电设备新的质量指标之前，传统的科学技术能够基本满足机电产品可靠地工作，只是由于可靠性还没有成为当时科学技术的一个突出问题，对其尚未给予足够的重视。随着微处理机日益广泛地应用于工业控制领域，对微机控制系统的可靠性提出了更高的要求［1］。微机控制系统的功能设计是建立在可靠性设计基础上之，如果没有可靠性设计或者不认真对待这项工作，那么功能再多再强的控制系统也必然会在应用中遭到失败。我国工业环境更为严酷的具体条件也要求必须将可靠性设计放在*。七十年代中期，以微处理机为核心的集散型综合控制系统tdcs（total distributed control system）在美国和日本相继诞生［2］。由于tdcs以高可靠性为根本目标，因此在诞生不久便确立了其在过程控制中的主流地位。深入地分析tdcs的可靠性技术对控制工程的理论与实践都具有重大意义。本文就是在简要论述tdcs可靠性技术理论基础上，研究分析智能电液比例控制放大器所采取的可靠性设计。
由单片机组成的智能比例控制放大器是一种用来对比例电磁铁提供特定性能电流，并对电液比例阀或系统进行开环或闭环调节的电子装置。它是电液比例控制元件和系统的重要组成单元。电液比例技术之所以广泛应用于各种不同要求的传动与控制系统，放大器的灵活性及可靠性起着至关重要的作用。
2　tdcs可靠性分析的理论方法
分析tdcs可靠性时，不仅要考虑故障λ及其分布形式，考虑子系统结构，而且要考虑系统的可维修度，考虑维修度μ及其分布。可靠性理论指出［1］［2］［3］：
（1）tdcs故障发生的概率服从泊松分布。设单位时间内发生的平均故障数为λ，则在t时间内发生k次故障的概率为
（1）而且，若故障发生概率服从平均值为λ的泊松分布，则它发生间隔的分布服从平均值为1/λ的指数分布，即exp（－λt）　。1/λ是故障发生时间间隔的平均值，记作m，称为平均故障间隔时间mtbf。
（2）系统在规定的工作条件下和预定的时间内持续完成规定功能的概率为系统可靠度，记作r（t）。所谓完成规定功能是指不发生故障，因此式（1）中k=0时，按可靠度定义有：
r（t）=p（0，t）＝e－λt（2）
式（2）即为tdcs可靠度的基本公式，应当说明的是tdcs是一个由许多子系统构成的复杂系统，是一个分层的工业计算机控制系统，它的可靠度实质上是各子系统可靠的综合。
（3）象tdcs这样的计算机控制系统在发生故障后是可以修复的。对故障的修复通常以修复时间来衡量，在理论上用可维修度，定义为在一定时间内系统修理完毕恢复正常的概率。tdcs的修复时间服从指数分布，其平均值设为h，则系统发生故障后经过时间t仍未修复的概率等于exp（－t/h），而在t时间内修复的概率为：
m（t）=1-e－t/h（3）
称h为平均修复时间mttr，其倒数μ＝1/h称为修理率，即单位时间里修复故障数。
tdcs的可靠度和可维修度或者说相应的mtbf或mttr是描述tdcs可靠性的重要指标。
（4）tdcs在使用过程中无非是两种状态，一种是系统工作，一种是系统停运。前者表示系统正常，后者表示全系统因发生故障而完不成规定功能。显然，系统的使用率为正常运行时间与总和时间之比。这种tdcs的使用率称为系统的有效度或广义可靠度。对于具有稳定态的tdcs，有效度与时间坐标无关，即有效度不随时间t而变化，称为稳态有效度或稳定可用度，记为a（∞）或a。不难得出
（4）式（4）是分析tdcs可靠性的zui重要公式。
由于故障的复杂性，修复时间也很复杂，tdcs的正常与故障状态的转换也较复杂，是一个随机过程。tdcs的可靠度和维修率都遵从指数分布，因而它可以用马尔柯夫（marker）过程来描述。虽然tdcs的故障或正常两种状态的出现是随机的，但系统以后出现的状态仅与现在的状态有关而与以前的状态无关。这种仅与现态有关而与初态无关的过程称为无后效性，被定义为马尔柯夫过程。马尔柯夫过程中，系统由一种状态转换到另一种状态可用状态转换概率方法来研究。设一个tdcs系统正常状态为s，记为状态1：故障状态为f，记为状态2。则系统以λ的概率由s转为f，以1-λ的概率保持正常状态。故障状态的系统则以μ的修复率由f转为s，以1-μ的概率仍处于f状态。
上述状态转换可用矩阵表示：
（5）在实际问题中，tdcs的状态数可以是n，则其状态转移矩阵的一般形式为
（6）式中pij为由状态i转移至状态j的概率。
由可靠性理论可知tdcs的状态转移矩阵具有一个非常重要的性质［1］：随着状态的逐步转移，系统所处状态概率逐渐趋于稳定。设系统状态稳定后，各状态的概率用向量［p1，p2，p3，…，pn］表示，则有
（7）用它来分析上述假定情况时，则有
（8）式中，ps为系统处于正常状态的概率；
pf为系统处于故障状态的概率。
又因为系统状态概率向量之和为1，则有
（9）由式（7）和式（9）可解得tdcs　n个状态的概率p1，p2，…，pn。
由式（8）和式（9）可解得假定情形下tdcs正常与故障的概率。
（10）
（11）
式（10）与式（4）一致，反映了一般情况下tdcs的有效度。
3　tdcs可靠性技术的综合考虑
任何一个tdcs从总体结构上分析，不管当今出现的成百种tdcs的结构多么地千差万别，它们总是分为三大部分，过程接口、通信网络和人机接口，其中每一部分都包含了许多单元，每一单元装置又由许多元件组成。因此，从根本上讲，tdcs的可靠度取决于元件的可靠度、元件的串、并联或冗余配置的组合以及各单元构成的网络结构等。现代tdcs要求对可靠性技术进行综合考虑［2］。tdcs的可靠性技术始于设计阶段，全系统的零部件以及系统结构无处不考虑可靠性。除了可靠性设计外，还提出了可靠性测试标准及规程，在安装调试阶段可靠性测试贯穿始终，zui后还考虑应用中的安全、可靠问题。
tdcs可靠性技术可概括为三个方面［1］：
（1）尽量使系统不易发生故障（高mtbf）；
（2）尽量使系统的故障迅速排除（低mttr）；
（3）即使发生故障，系统运行不受故障影响。
第三点通常被称为容错性能。本文重点考虑的是*方面，即尽量使系统不易发生故障。
由式（4）可知，欲提高系统的有效度，根本途径之一是提高系统的mtbf，而系统mtbf的提高又依赖于构成单元装置及其零部件的mtbf的提高。为此，控制器任何元器件的使用都应遵照用户手册，元器件的使用电压不应超过其额定值，电流及功耗小于额定值的三分二，尽量不要额定运行，否则容易老化。尽量使用低功耗元件。对于干扰阈值较大的htl器件和mos器件，不同种类器件之间相互连接要匹配。控制器器件时序关系要有足够余量，否则当运行环境恶化或者长期运行老化，会引起系统时序关系不匹配而失灵。有些功率驱动器元件，如大功率晶体管，其控制信号的上升沿和下降沿必须很陡，否则这种功率开关元件会烧坏。这是因为功率开关的耗散功率等于开关压降与电流之积。当开关饱和导通时，由于开关压降极小，所以开关耗散功率很小。当开关截止时，由于流过开关的电流极小，因此，开关耗散功率也很小。如果控制功率开关通断的信号边沿不陡，那么，功率开关管不能够迅速饱和或截止，即功率开关管在放大区工作状态时间较长，从而在大压降和大电流下产生大功率的时间较长，会使功放管迅速烧坏。
对于计算机控制系统而言，cpu的总线驱动能力是有限的，因此当cpu总线要带很多芯片时，应当经过总线驱动器驱动，否则会使系统工作异常。电源装置也属于元器件类，实践证明，电源质量的好坏对系统的可靠性有相当大的直接影响。电源要交流净化能力强，负载变化时输出平稳性好。一般来说，系统电源应由交流变压器组成。系统电源容量要有足够的余量。
此外，系统的输入必然关系到系统的输出，输入错误必然引起输出错误。首先，传感器本身可靠性要好，传感器的选择要合适，在工作中不应超过传感器额定工作条件的三分之二。对于模拟量传感器，其输出具有极性，当系统无需考虑信号极性时，输入放大电路应设计成值放大电路，这样当传输线因故反接时不影响系统的输出。输入信号要进行滤波处理，输入接口电路还要设计输入保护，防止输入信号过大而损坏接口。
对于易受干扰的场合，有些输入信号应当采用编码调制信号。对于重要的输入信号则可以采用冗余输入和增加间接接入，选择那个在正常范围内的输入值。
系统输出可靠性设计包括的内容较多，通常包括输出接口电路、输出传输线和输出执行器的可行性设计。对于计算机控制系统来说，还包括输出控制软件的可靠性设计。
4　结束语
尽管采用了*的可靠性设计技术，实际中要作出*的硬件是不可能的。在要求超高度可靠性的系统中，硬件必须是冗余化的，因此还必须采用双重化和后备技术（即冗余技术）。
随着现代科学技术的进步与发展，电液比例技术越来越广泛地应用于各工业领域，这就要求比例控制放大器具有更高的可靠性与灵活性，只有不断地改进与完善，才能为比例元件和系统提供*的控制信号。