試論熱工系統(tǒng)故障的診斷與分析

董建剛

【摘 要】現(xiàn)代化的工程技術(shù)系統(tǒng)正朝著大規(guī)模、復(fù)雜化的方向發(fā)展。這類系統(tǒng)一旦發(fā)生事故就可能造成人員和財產(chǎn)的巨大損失，因此切實保障現(xiàn)代復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性與安全性具有十分重要的意義。而故障診斷與容錯控制技術(shù)的出現(xiàn)，為提高復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性開辟了一條新的途徑。與工程實踐中安全性的重要性日益突出相對應(yīng)，故障診斷和容錯控制理論也成為控制理論發(fā)展的熱點問題。

【關(guān)鍵詞】熱工系統(tǒng)；故障診斷；容錯控制

目前，自動控制技術(shù)已廣泛深入地應(yīng)用到電力生產(chǎn)的各個方面。在電力工程中往往存在著復(fù)雜而龐大的自動控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行已經(jīng)引起越來越多的注意，保證控制系統(tǒng)的安全性與可靠性已經(jīng)成為首要目的。

1.控制系統(tǒng)故障診斷的發(fā)展

1971年美國專家提出用解析冗余代替硬件冗余，通過系統(tǒng)的自組織使閉環(huán)穩(wěn)定，并通過比較觀測器輸出得到系統(tǒng)故障信息的新思想標(biāo)志著這門科學(xué)的誕生。在以后的幾十年里，故障診斷技術(shù)得到了很大的發(fā)展，目前，國際上每年發(fā)表的有關(guān)FDD的論文與報告在數(shù)千篇以上。目前，故障診斷主要方法有基于數(shù)學(xué)模型的方法，基于輸入輸出信號處理的方法，基于人工智能的方法。

1.1基于數(shù)學(xué)模型方法

從1971年以來，基于數(shù)學(xué)模型的故障診斷方法，在自動控制的過程系統(tǒng)的中受到越來越多的重視，它是一種與硬件冗余相對應(yīng)的一種方法，它主要是利用系統(tǒng)可以測量的運行信息（系統(tǒng)的輸入，輸出）來和系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型所提供的各種先驗知識所規(guī)定系統(tǒng)的理想無故障系統(tǒng)應(yīng)輸出信息比較得來的信號來進行檢測，分離存在于系統(tǒng)的故障。

下面簡要介紹一下基于數(shù)學(xué)模型的故障診斷的基本概念。

故障：系統(tǒng)至少一個特性或參數(shù)出現(xiàn)較大的偏差超出了可接受的范圍。此時系統(tǒng)的性能明顯低于正常水平，難以完成其預(yù)期的功能。

加性故障：故障加性地作用于系統(tǒng)的輸入輸出上，因此對殘差信號的影響也是加性的。

嚴(yán)重故障：在特定的操作下，由于故障使系統(tǒng)喪失了完成給定任務(wù)的能力。

失靈：在系統(tǒng)完成特定的任務(wù)時出現(xiàn)了間斷的不規(guī)則現(xiàn)象。

殘差：故障指示器，由測量值與模型計算值的差得到。

癥狀： 由故障引起的系統(tǒng)的可觀測的特性與其正常的特性相比所出現(xiàn)的異常變化。在基于解析模型和信號處理的診斷方法中，他們通常由傳感器測量信號反映；在基于知識的故障診斷方法中，操作人員通過觀察（如設(shè)備振動情況，聲音信息等）用語言描述的故障現(xiàn)象也是重要的癥狀信息。

故障檢測：確定系統(tǒng)是否發(fā)生了故障。

故障辨識：在故障分離之后，確定故障的大小和故障發(fā)生的時間。

故障的診斷：有狹義和廣義之分。廣義上它通常作為故障檢測、分離和辨識的統(tǒng)稱；狹義上它特指故障分離與故障辨識。

故障檢測與分離：故障檢測與分離之和。

故障檢測與診斷：故障檢測與診斷之和。

基于數(shù)學(xué)模型的故障診斷包括兩個基本的階段：殘差產(chǎn)生和故障決策。

殘差產(chǎn)生：殘差產(chǎn)生單元的主要目的是利用被監(jiān)控系統(tǒng)的可用輸出輸入產(chǎn)生故障指示信號殘差，這個信號用來反映被分析系統(tǒng)的可能故障。當(dāng)系統(tǒng)無故障時，殘差信號應(yīng)該為零或接近于零，當(dāng)有故障時，殘差信號應(yīng)顯著地不同于零值。殘差信號在理想的情況下，應(yīng)該獨立于系統(tǒng)的輸入，輸出。用來產(chǎn)生殘差的算法或處理單元稱為殘差產(chǎn)生器，從系統(tǒng)中抽取故障癥狀，出于魯棒性的考慮殘差信號理想情況下的應(yīng)該只考慮故障信息。另外一方面，為了確?？煽康墓收蠙z測與辨識，殘差信號中的故障信息的損失應(yīng)該盡可能的小。

故障決策：殘差被用來檢測故障的可能性，決策的規(guī)則是檢測故障所必須的。故障決策的方法有許多種，可以簡單設(shè)定一個閥值，也可以用統(tǒng)計決策理論，比如一致似然比或序貫概率比的方法。

基于數(shù)學(xué)模型方法是最早發(fā)展起來的，此方法需要建立在被診斷對象較為精確的基礎(chǔ)上，進一步可分為：基于參數(shù)估計法，基于狀態(tài)估計方法，一致空間法。

1.2基于可測信號的故障診斷法

（1）可測值或其變量變化趨勢診斷法。這種診斷方法根據(jù)直接可測的輸入輸出及其變化趨勢進行故障診斷，其依據(jù)是：正常情況下被控過程的輸入輸出及其變化在一定范圍變化。

（2）基于可測信號處理的故障診斷方法。它包括對于輸入輸出信號做小波變換來進行故障診斷以及利用系統(tǒng)輸出在幅值、相位頻率及相關(guān)性上與故障源之間會有聯(lián)系。這些聯(lián)系可用預(yù)定的數(shù)學(xué)形式來表達，在發(fā)生故障時則可利用這些量進行分析處理來判斷故障源的存在，常用的方法有譜分析法，概率密度法及功率譜分析法。

1.3基于人工智能方法

（1）故障診斷的專家系統(tǒng)的方法。

（2）故障樹的診斷方法。

（3）基于模式識別的診斷方法。

（4）基于模糊數(shù)學(xué)的診斷方法。

（5）基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方法等等。

2.容錯控制的發(fā)展

2.1被動容錯控制

被動容錯控制大致可分為：可靠鎮(zhèn)定、完整性、與聯(lián)立鎮(zhèn)定。

可靠鎮(zhèn)定：它是針對控制器失效的容錯控制，當(dāng)任意一個或多個補償器失效而剩余的補償器正常工作，閉環(huán)控制系統(tǒng)仍可以保持穩(wěn)定。

完整性：一直是被動容錯控制的熱點問題。它是專門針對控制系統(tǒng)執(zhí)行器、傳感器失效的一種被動容錯控制。

聯(lián)立鎮(zhèn)定：主要研究給定N個有限維的連續(xù)時間線性時不變對象，構(gòu)造一個固定的控制器，使其能夠鎮(zhèn)定上述任意一個被控對象，這是針對被控對象的一種被動容錯控制。

2.2主動容錯控制

主動容錯控制是指在控制系統(tǒng)發(fā)生故障后重新調(diào)整控制器參數(shù)，也可能改變控制器的結(jié)構(gòu)，大多數(shù)主動容錯控制需要FDD子系統(tǒng)，少部分不需要FDD子系統(tǒng)，但需要已知各種故障的先驗知識。

2.3容錯控制研究的熱點，難點問題及應(yīng)用

容錯控制作為一門新興的交叉學(xué)科，其科學(xué)意義就是要盡量保證動態(tài)系統(tǒng)在發(fā)生故障時仍然可以穩(wěn)定運行，并且具有可以接受的性能指標(biāo)，因此容錯控制為提高復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的可靠性開辟了一條新的途徑。由于任何系統(tǒng)都不可避免地會發(fā)生故障，因此容錯控制也可以看成為是保證系統(tǒng)安全的最后一道防線，目前容錯控制的難點與熱點問題主要有以下幾個方面： （1）快速FDI的方法研究。（2）主動容錯中的魯棒性分析與綜合以及魯棒故障檢測與魯棒控制集成設(shè)計的問題。（3）控制律的在線重組與重構(gòu)。（4）非線性以及時滯動態(tài)系統(tǒng)，高維，時變多變量對象的容錯控制設(shè)計問題。

3.熱工過程故障診斷和容錯控制的發(fā)展

電廠的火電機組設(shè)備昂貴，熱工過程非常龐大和復(fù)雜，目前，電廠熱工過程故障具有多樣性的特點，包括機械設(shè)備故障、流程故障、液壓系統(tǒng)故障等，有些故障屬于漸變性故障，有些故障屬于突變性故障，故障診斷的方法也具有多樣性的特點，經(jīng)過認真研究與分析得出如下結(jié)論：

（1）電廠熱工過程的故障診斷集中在旋轉(zhuǎn)機械中使用較多，特別是對汽輪機的故障檢測和診斷應(yīng)用的例子也較多。

（2）應(yīng)用于電廠的故障診斷方法多集中在基于人工智能方法以及基于信號處理方法，對于基于數(shù)學(xué)模型的方法應(yīng)用還很少。因為電廠熱工過程對象復(fù)雜而龐大。系統(tǒng)的非線性和外界干擾復(fù)雜，有些根本不能進行精確的數(shù)學(xué)建模，因此基于人工智能的故障診斷方法和基于信號處理的故障診斷方法在電廠應(yīng)用更加廣泛。

綜上所述，在電廠熱工過程中的故障診斷研究已經(jīng)取得很大進展，但針對熱工過程控制系統(tǒng)故障診斷與容錯控制的研究還很少，而電廠熱工控制系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行對于電廠的安全生產(chǎn)與經(jīng)濟效益又有著極端重要的意義。 [科]

【參考文獻】

[1]羅楠，賈石峰.一種多模態(tài)仿人智能控制器的設(shè)計[J].科技咨詢導(dǎo)報，2012，（09）.