CN1893339B - 连续中值故障控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

连续中值故障控制系统和方法；给出一种包括至少三个冗余信号(12a-c)的冗余控制系统(10)。冗余控制系统(10)包括与每个冗余信号(12a-c)有关的故障电路(14)。故障电路(14)响应于相应的一个冗余信号(12a-c)的故障的出现生成故障信号(24)。选择电路(12)与每个冗余信号(12a-c)有关。选择电路(12)接收与相应的一个冗余信号(12a-c)有关的缺省信号、故障信号(24)、和该相应的一个冗余信号(12a-c)。选择电路(12)当故障信号(24)表示相应的一个冗余信号(12a-c)的故障时选择缺省信号，以及当故障信号(24)不表示对于该相应的一个冗余信号(12a-c)的故障时选择相应的一个冗余信号(12a-c)。中值确定电路(30)接收所选择的缺省信号和所选择的冗余信号，用来确定表示所选择的缺省信号和所选择的冗余信号(12a-c)的中值的中值信号。

Description

连续中值故障控制系统和方法
技术领域
本发明总的涉及冗余控制系统和方法。更具体地，本发明涉及模块冗余控制系统和方法，它避免在发射机(或传感器)信号恶化时或在现在的冗余系统中发射机(或传感器)的故障时通常遇到的控制信号的突然改变。
背景技术
典型地，冗余控制系统包括至少两个与控制器通信的发射机(或传感器)，以避免可能造成涡轮控制系统的中断的发射机(或传感器)信号恶化或发射机(或传感器)故障。在这样的系统中，控制信号是通过确定发射机(或传感器)的信号的中值信号而得出的。然而，这个方法导致控制信号的突然改变，这又常常导致控制系统操作的不想要的中断，这在涡轮控制系统中有时称为“撞击”。
另一个方法在授权给Scarola等的美国专利号5,715,178中有所描述，在该专利中公开一种算法：对测量同一个参数的传感器的输出进行平均以提供平均的(或中值的)传感器输出，并把它与原始的传感器输出进行比较。当平均的传感器输出与任一个原始的传感器输出之间的偏差太大时，从计算中去除具有最大偏差的传感器输出。这个处理过程重复进行，直至计算中所有剩余的传感器输出处在平均的传感器输出的可接受的偏差范围内为止；此后在系统中利用平均的传感器输出。这个方法也导致系统中所利用的信号的突然改变，这常常导致系统操作中的不想要的中断。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，给出一种包括至少三个冗余信号的冗余控制系统。冗余控制系统包括与每个冗余信号有关的故障电路。故障电路响应于相应的一个冗余信号的故障的出现产生故障信号。冗余控制系统还包括与每个冗余信号有关的选择电路。选择电路可接收与相应的一个冗余信号有关的缺省信号、接收故障信号、和接收相应的一个冗余信号。选择电路当故障信号表示相应的一个冗余信号的故障时选择缺省信号和当故障信号不表示对于该相应的一个冗余信号的故障时选择相应的一个冗余信号。冗余控制系统还包括中值确定电路，它可接收所选择的缺省信号和所选择的冗余信号，用来确定表示所选择的缺省信号和所选择的冗余信号的中值的中值信号。
在本发明的另一个示例性实施例中，还给出一种包括至少三个冗余信号的冗余控制方法。冗余控制方法包括确定任一个冗余信号的故障的出现。冗余控制方法还包括对于每个冗余信号，当确定相应的一个冗余信号的故障时选择与该相应的一个冗余信号有关的缺省信号和当尚未确定相应的一个冗余信号的故障时选择该相应的一个冗余信号。冗余控制方法还包括确定所选择的缺省信号和所选择的冗余信号的中值信号。
在本发明的再一个示例性实施例中，给出一种包括至少三个冗余信号的冗余控制系统。冗余控制系统包括用于确定任一个冗余信号的故障的出现的装置。冗余控制系统还包括一装置，用于与每个冗余信号有关地，当已确定相应的一个冗余信号的故障时选择与该相应的一个冗余信号有关的缺省信号和当尚未确定相应的一个冗余信号的故障时选择该相应的一个冗余信号。冗余控制系统还包括用于确定所选择的缺省信号和所选择的冗余信号的中值信号的装置。
附图说明
当参照附图阅读以下的详细说明时将更好地了解本发明的这些和其它特性、方面与优点，其中：
图1是按照本发明的连续中值故障控制系统的示例性实施例的框图；
图2是图1的系统的故障检测功能的框图；
图3是图1的系统的更新设置点功能的框图；
图4是图1的系统的故障报警状态确定功能的框图；
图5是图1的系统的计算偏置功能的框图；以及
图6是图1的系统的中值丢弃(Drop)功能的框图。
详细说明
参照图1，在冗余涡轮控制系统中使用的连续中值故障控制系统的示例性实施例的框图，总的被显示为10。来自冗余发射机(发射机未示出，但包括压力换能器、流量换能器、和在系统中冗余性是有利的场合发送信号的其它设备)的信号在信号总线或线12上给出，在这里称为“现在发射机信号”。虽然这里只使用单条线来表示总线或多条信号线，但意图表示每个信号与总线的各个导线或各个信号线相联系。无论如何，已知的复接技术被利用来在单个导线上载送多个信号，也属于本发明的范围。这些发射机信号被呈现给故障检测功能(电路)14和得到以前值功能(电路)16。得到以前值功能16存储它接收的发射机信号的以前发射机信号值的一个记录。这些以前发射机信号值然后通过总线或信号线18呈现给故障检测功能14。故障检测功能14把每个现在发射机信号与相应的(即相应于每个发射机)以前发射机信号相比较，由此当差值超出各个极限时检测到故障。此后参照图2更详细地讨论故障检测功能14。故障检测功能14根据通过总线或信号线24呈现给更新设置点状态功能(电路)20和故障报警状态确定功能(电路)22的这些比较结果提供相应的故障检测信号(“故障高”和“故障低”信号)。故障报警状态确定功能22接收确认的固定信号，其表示在总线或信号线26处给出的、对于系统的安全模式工作提供的、相应的发射机信号。故障报警状态确定功能22利用逻辑电路来提供表示已发生故障的相应的报警信号。“高故障”和“低故障”信号由故障报警状态确定功能22的逻辑电路生成，以及在总线或信号线28处被给出到更新设置点状态功能20、中值丢弃功能(电路)30和中值丢弃功能(电路)32。此后参照图4更详细地讨论故障报警状态确定功能22。更新设置点状态功能20利用逻辑电路来在总线或信号线34处提供相应的“故障”信号(不管它是高故障还是低故障)，表示设置点(例如，工作参数)需要更新。这些故障信号通过总线或信号线34被呈现给计算偏置与更新设置点功能(电路)36。此后参照图3更详细地讨论更新设置点状态功能20。中值丢弃功能30和32对于没有故障的发射机信号确定现在的(在总线或信号线38上呈现)和以前的(在总线或信号线40上呈现)中值信号值。现在的和以前的中值信号值分别通过总线或信号线38和40被呈现给计算偏置与更新设置点功能36。此后参照图6更详细地讨论中值丢弃功能30和32(虽然只讨论一个，因为相同的安排可应用于二者)。
计算偏置与更新设置点功能36接收固定的(设置点)信号作为在信号线42处的输入。现在的和以前的中值信号值和故障信号被利用来更新设置点，导致在信号线44处呈现的偏置的设置点。此后参照图5更详细地讨论计算偏置与更新设置点功能36。偏置信号与现在的中值信号相组合，在相加器功能(电路)46处确定差值，导致在信号线48处呈现的输出信号。
现在参照图2，总的示出故障检测功能14。虽然图2只示出用于一个发射机信号之一的配置，但将会看到，该配置可应用于每个其它冗余的发射机信号。在信号线12处呈现的现在的发射机信号和在信号线18处呈现的以前的发射机信号在相加器功能(电路)50处进行比较，导致在信号线52处的差值。该差值被呈现给比较功能(电路)54，比较功能比较该差值，以确定它是否大于故障高常数极限值或小于故障低常数极限值。比较功能54可以只包括如熟知的那样的比较器。当这个差值大于故障高常数极限值时设置故障高信号(在信号线24的信号线24a处)以及当这个差值小于故障低常数极限值时设置故障低信号(在信号线24的信号线24b处)。
参照图3，总的示出更新设置点状态功能20。虽然图3只显示用于发射机信号之一的配置，但将会看到，该配置可应用于每个其它冗余的发射机信号。故障高信号(在信号线24a处)和故障低信号(在信号线24b处)被输入到逻辑或门56，其输出(在信号线58处)被输入到逻辑或门60。确认的固定信号(在信号线26处)被输入到逻辑与门62和64。在信号线28a处的低故障信号也被输入到逻辑与门62，其输出(在信号线68处)被输入到逻辑或门60。在信号线28b处的高故障信号也被输入到逻辑与门64，其输出(在信号线72处)被输入到逻辑或门60。逻辑或门60的输出是在信号线34处的故障信号。
现在参照图4，总的示出故障报警状态确定功能22。虽然图4只示出用于发射机信号之一的配置，但将会看到，该配置可应用于每个其它冗余的发射机信号。故障高信号(在信号线24a处)被输入到逻辑与门74。高故障信号(在信号线28b处)也是加到逻辑与门74的输入(在倒相输入端)。低故障信号(在信号线28a处)也是加到逻辑与门74的输入(在倒相输入端)。逻辑与门74的输出(在信号线76处)被输入到逻辑或门78。确认的固定信号(在信号线26处)是加到逻辑与门80和82的输入(在倒相输入端)。高故障信号也是加到逻辑与门80的输入，其输出(在信号线84处)被输入到逻辑或门78。逻辑或门78的输出是在线28b处的高故障信号。故障低信号(在信号线24b处)是加到逻辑与门86的输入。高故障信号也是加到逻辑与门86的输入(在倒相输入端)。低故障信号也是加到逻辑与门86的输入(在倒相输入端)。逻辑与门86的输出(在信号线88处)被输入到逻辑或门90。低故障信号也是加到逻辑与门82的输入，其输出(在信号线92处)被输入到逻辑或门90。逻辑或门90的输出是在线28a处的低故障信号。高故障信号和低故障信号也是加到逻辑或门94的输入，其输出是报警信号(在信号线99处)。将会看到，由于以上的电路是逻辑门的级联的装置，它对于将被更新的报警信号可能需要一个或多个时钟周期。
现在参照图5，总的示出计算偏置与更新设置点功能36。来自更新设置点状态功能20的故障信号被输入到逻辑或门(未示出)，以便无论何时有故障时产生信号故障信号。这个信号故障信号(在信号线34处)是在选择功能(电路)98的选择或使能输入端处的输入。选择功能98可包括选择或门集成电路，它在被使能时只把输入传送到输出端，正如已知的。现在的中值信号(在信号线38处)和以前的中值信号(在信号线40处)在相加器功能(电路)100处被组合，并在信号线102处提供差值。这个差值信号，当被选择时，即故障信号表示故障，被传送到选择功能98的输出端(在信号线104)。否则，在信号线42，输出被设置为零(即，固定信号)。这个差值信号(它可以是正的或负的)当被选择时，变为偏置信号(在信号线104)，它在相加器功能(电路)108处被加到当前的设置点(在信号线106)。这个组合的信号，即来自相加器功能108的偏置的设置点信号在信号线44处给出。偏置的设置点变为设置点。这是重要的特性，因为这个偏置的信号结合改变现在的中值的使用避免输出信号的突然改变。当与现有技术系统中遇到的突然的(或撞击)改变相比较时，这保证在故障期间平滑的传输。
现在参照图6，总的示出中值丢弃功能30，中值丢弃功能32具有基本上相同的配置。由故障报警状态确定功能22的逻辑电路生成的高故障和低故障信号是在信号线28a-f处对于每个发射机信号(在本例中有三个发射机)给出的。这些高故障和低故障信号被输入到选择功能(电路)110，112和114的选择输入端。“丢弃高”和“丢弃低”信号在信号线116a-f对于每个发射机信号被提供。丢弃高和丢弃低信号是对于每种类型的故障，即高或低，缺省安全模式信号。这些缺省信号被设置为保证系统的安全模式工作，换句话说，它们被选择为在发射机信号电平的正常范围外。设置丢弃信号为在发射机信号电平的正常范围外，保证丢弃信号不被包括在中值的计算中。这些丢弃高和丢弃低信号被输入到选择功能的输入端。对于每个选择功能，当高故障信号被设置时，选择功能的选择输入端被使能，由此把丢弃高信号传送到选择功能的输出端。而且，当低故障信号被设置时，选择功能的选择输入端被使能，由此把丢弃低信号传送到选择功能的输出端。否则，现在的发射机信号(在各个信号线12a-c)被传送到选择功能的输出端。这些输出信号分别在信号线116，118和120对于选择功能110，112和114被呈现到中值功能(电路)122的输入。中值功能122计算输入的中值和在信号线124处在它的输出端给出中值信号。
还参照图3，对于每个发射机信号，相应的更新设置点状态功能20，生成在线34处的故障信号。故障信号表示对于每个相应的发射机信号的故障(高或低)。对于本讨论，三个发射机信号将称为A，B和C。对于A和B的故障信号例如通过与门(未示出)被组合，在信号线126处提供FailAB信号，由此当与发射机信号A和B有关的发射机信号故障时FailAB被设置。对于B和C的故障信号例如通过与门(未示出)被组合，在信号线128处提供FailBC信号，由此当与发射机信号B和C有关的发射机信号故障时FailBC被设置。对于A和C的故障信号例如通过与门(未示出)被组合，在信号线130处提供FailAC信号，由此当与发射机信号A和C有关的发射机信号故障时，FailAC被设置。
FailBC信号被输入到选择功能(电路)132的选择输入端。用于发射机信号A的现在的发射机信号被输入到选择功能132的输入端。当FailBC信号被设置时，选择功能132的选择输入端被使能，由此把现在的发射机信号A在信号线134传送到选择功能132的输出端。否则，中值信号(在信号线124处)被传送到选择功能132的输出端(在信号线134处)。FailAC信号被输入到选择功能136的选择输入端。用于发射机信号B的现在的发射机信号被输入到选择功能136的输入端。当FailAC信号被设置时，选择功能136的选择输入端被使能，由此把现在的发射机信号B在信号线138传送到选择功能136的输出端。否则，来自选择功能132的输出信号(在信号线134处)被传送到选择功能136的输出端(在信号线138处)。FailAB信号被输入到选择功能(电路)140的选择输入端。用于发射机信号C的现在的发射机信号被输入到选择功能140的输入端。当FailAB信号被设置时，选择功能140的选择输入端被使能，由此把现在的发射机信号C在信号线38传送到选择功能140的输出端。否则，来自选择功能136的输出信号(在信号线138处)被传送到选择功能140的输出端(在信号线38处)。
虽然本发明是参照示例性实施例描述的，但本领域技术人员将会看到，可以作出各种改变以及可以用等价物替代各个单元，而不背离本发明的范围。另外，可以作出许多修改，以使得具体的情形或材料适配于本发明的教导而不背离它的本质的范围。所以，本发明打算不限于作为预期用于实行本发明的最好模式所公开的具体实施例，而是本发明将包括属于所附权利要求的范围的所有的实施例。

Claims (10)

1.一种包括至少三个冗余信号(12a-c)的冗余控制系统(10)，包括：
至少三个故障电路(14)，所述至少三个故障电路(14)中的每个单独的故障电路与所述至少三个冗余信号(12a-c)中的单独的冗余信号有关，所述故障电路(14)响应于相应的一个冗余信号(12a-c)的故障的出现生成故障信号(24)；
与每个冗余信号(12a-c)有关的第一选择电路(12)，所述第一选择电路(12)接收与该相应的一个冗余信号(12a-c)有关的缺省信号、接收所述故障信号(24)、并接收该相应的一个冗余信号(12a-c)，所述第一选择电路(12)当所述故障信号(24)表示该相应的一个冗余信号(12a-c)的故障时选择所述缺省信号，所述第一选择电路(12)当所述故障信号(24)对于该相应的一个冗余信号(12a-c)不表示故障时选择该相应的一个冗余信号(12a-c)；以及
中值确定电路(30)，接收所述所选择的缺省信号和所选择的冗余信号(12a-c)，用来确定表示所述所选择的缺省信号和所选择的冗余信号(12a-c)的中值的中值信号(38)。
2.如权利要求1所述的冗余控制系统(10)，其中每个所述故障电路(14)包括：
相加器电路(50)，接收该相应的一个冗余信号(12a-c)的现在的信号(12)和该相应的一个冗余信号(12a-c)的以前的信号(18)，所述相加器电路(50)组合该相应的一个冗余信号(12a-c)的所述现在的信号(12)和该相应的一个冗余信号(12a-c)的所述以前的信号(18)，以提供它们的差值信号(52)，以及
比较电路(54)，接收所述差值信号(52)，所述比较电路(54)把所述差值信号(52)与高常数和低高数进行比较，当所述差值信号(52)大于所述高常数或小于所述低常数时生成所述故障信号(24)。
3.如权利要求2所述的冗余控制系统(10)，其中：
所述缺省信号当所述差值信号(52)大于所述高常数时包括高电平缺省信号(24a)和当所述差值信号(52)小于所述低常数时包括低电平缺省信号(24b)。
4.如权利要求1所述的冗余控制系统(10)，还包括：
第二选择电路(30)，接收每个冗余信号(12a-c)的现在的信号、所述中值信号(38)、和指示除了一个以外的全部所述冗余信号(12a-c)的故障的表示出现除了一个以外的全部所述故障信号(28)的信号，当表示出现除了一个以外的全部所述故障信号(28)的所述信号指示除了一个以外的全部所述冗余信号(12a-c)的故障时，所述第二选择电路(30)选择与作为唯一的冗余信号(12a-c)的、对于它所述故障信号(28)不指示该相应的一个冗余信号(12a-c)的故障的、所述一个冗余信号(12a-c)对应的相应的一个所述现在的信号作为所述中值信号，否则所述第二选择电路(30)选择所述中值信号(38)。
5.如权利要求1所述的冗余控制系统(10)，其中所述中值信号包括从冗余信号(12a-c)的现在的信号确定的、所述中值信号的现在的中值信号(38)和从冗余信号(12a-c)的以前的信号确定的、所述中值信号的以前的中值信号(40)，以及还包括：
相加器电路(100)，接收所述现在的中值信号(38)和所述以前的中值信号(40)，所述相加器电路(100)组合所述现在的中值信号(38)和所述以前的中值信号(40)，以提供它们的差值信号(102)；以及
第二选择电路(98)，接收所述差值信号(102)和指示任一个所述冗余信号(12a-c)的故障的表示任一个所述故障信号(34)的出现的信号，当表示任一个所述故障信号(34)的所述出现的所述信号指示任一个所述冗余信号(12a-c)的故障时，所述第二选择电路(98)选择所述差值信号(102)作为第二选择输出信号(104)，否则所述第二选择电路(98)选择固定信号(42)作为所述第二选择输出信号。
6.如权利要求5所述的冗余控制系统(10)，还包括：
相加器电路(108)，接收所述第二选择输出信号(104)和所述中值信号(106)，所述相加器电路(108)组合所述第二选择输出信号(104)和所述中值信号(106)，以提供冗余控制系统输出(44)。
7.一种包括至少三个冗余信号(12a-c)的冗余控制方法，包括：
确定任一个冗余信号(12a-c)的故障的出现；
对于每个冗余信号(12a-c)，当已确定相应的一个冗余信号(12a-c)的故障时选择与该相应的一个冗余信号(12a-c)有关的缺省信号；
对于每个冗余信号(12a-c)，当尚未确定相应的一个冗余信号(12a-c)的故障时选择该相应的一个冗余信号(12a-c)；以及
确定所述所选择的缺省信号和所选择的冗余信号(12a-c)的中值信号(38)。
8.如权利要求7所述的冗余控制方法，其中所述确定故障的出现包括：
对于每个冗余信号(12a-c)，组合该相应的一个冗余信号(12a-c)的现在的信号(12)和该相应的一个冗余信号(12a-c)的以前的信号(18)，以提供它们的差值信号(52)，以及
对于每个冗余信号(12a-c)，把所述差值信号(52)与高常数和低常数进行比较，当所述差值信号(52)大于所述高常数或小于所述低常数时生成所述故障信号(24)。
9.如权利要求8所述的冗余控制方法，还包括：
当已确定任一个冗余信号(12a-c)的故障时，生成报警信号(96)。
10.如权利要求9所述的冗余控制方法，其中所述确定故障的出现还包括：
当对于任一个冗余信号(12a-c)使用固定信号时，确定故障的出现。
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