船用蒸汽發(fā)生器給水系統(tǒng)的容錯(cuò)控制

趙淑琴，張永生

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

船用蒸汽發(fā)生器給水系統(tǒng)的容錯(cuò)控制

趙淑琴，張永生

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

為提高二回路控制系統(tǒng)的可靠性，以蒸汽發(fā)生器給水系統(tǒng)為對(duì)象，設(shè)計(jì)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水位容錯(cuò)控制系統(tǒng)。利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，建立容錯(cuò)控制仿真模型，并與蒸汽發(fā)生器的集總參數(shù)仿真模型聯(lián)合，分別對(duì)水位傳感器恒偏差、恒增益和卡死故障進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真結(jié)果表明，容錯(cuò)控制系統(tǒng)的故障診斷模塊能夠準(zhǔn)確、迅速地診斷出傳感器故障并啟動(dòng)容錯(cuò)控制模塊進(jìn)行容錯(cuò)控制，使得蒸汽發(fā)生器的水位能夠穩(wěn)定在設(shè)定值附近，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)控制系統(tǒng)對(duì)于修正蒸汽發(fā)生器水位傳感器的故障有效，可用于蒸汽發(fā)生器給水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。

蒸汽發(fā)生器；給水；容錯(cuò)控制

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引用格式：趙淑琴，張永生.船用蒸汽發(fā)生器給水系統(tǒng)的容錯(cuò)控制［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（2）：117-120，138.

ZHAO Shuqin，ZHANG Yongsheng.Fault tolerant control of the water-feeding system of steam generators［J］.

Chinese Journal of Ship Research，2016，11（2）：117-120，138.

0　引　言

容錯(cuò)控制是指系統(tǒng)在發(fā)生故障的時(shí)候，能夠自動(dòng)補(bǔ)償故障的影響，維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定，盡可能快地恢復(fù)系統(tǒng)在發(fā)生故障前的性能，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠［1-2］。根據(jù)系統(tǒng)中處理故障和冗余的不同方式，容錯(cuò)控制系統(tǒng)分為被動(dòng)容錯(cuò)系統(tǒng)和主動(dòng)容錯(cuò)系統(tǒng)。被動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)多采用魯棒控制技術(shù)，系統(tǒng)可能發(fā)生的故障作為先驗(yàn)知識(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行考慮；主動(dòng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)算法能自適應(yīng)在線辨識(shí)故障參數(shù)，或利用故障診斷獲取系統(tǒng)故障信息，通過(guò)故障信息來(lái)重組系統(tǒng)控制行為［3-8］。

本文采用船用動(dòng)力裝置的實(shí)際設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上建立的二回路系統(tǒng)蒸汽發(fā)生器集總參數(shù)模型［9］進(jìn)行修正，在三沖量控制［10］的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)蒸汽發(fā)生器的主動(dòng)容錯(cuò)水位控制系統(tǒng)，并分別對(duì)水位傳感器的恒偏差、恒增益以及卡死3種故障下主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1容錯(cuò)控制原理

傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器三沖量水位控制由2個(gè)閉合的反饋回路及一個(gè)前饋部分組成，包含2個(gè)調(diào)節(jié)器，水位PID及給水PID，其原理如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)三沖量PID控制原理圖Fig.1　Principle diagram of the traditional three impulse PID control

圖1中α1，α2，α3分別為蒸汽流量傳感器、給水流量傳感器和水位傳感器。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是根據(jù)水位偏差信號(hào)及時(shí)校正水位，使穩(wěn)態(tài)時(shí)的水位等于給定值；副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是根據(jù)給水流量與蒸汽流量的偏差及時(shí)改變給水流量，使給水流量迅速跟隨蒸汽流量的變化，及時(shí)減少水位波動(dòng)。

三沖量控制能夠可靠工作的前提是系統(tǒng)的所有傳感器能夠正常工作。當(dāng)傳感器發(fā)生突發(fā)性故障時(shí)，如水位傳感器故障，將使測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生很大波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至崩潰。因此，為了提高系統(tǒng)的可靠性，保證在傳感器發(fā)生故障的情況下，控制系統(tǒng)仍能夠正常工作，設(shè)計(jì)了蒸汽發(fā)生器水位的主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2　主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)原理圖Fig.2　Schematic diagram of active fault tolerant control system

在盡量不改變系統(tǒng)原有三沖量PID控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制律重構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。當(dāng)檢測(cè)到故障發(fā)生時(shí)，切換到容錯(cuò)控制單元，驅(qū)動(dòng)給水閥動(dòng)作，完成對(duì)傳感器的容錯(cuò)控制，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2基于控制律重構(gòu)的容錯(cuò)控制

單輸入單輸出（SISO）的線性定常狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)如圖3所示，設(shè)Gi（s）為傳遞函數(shù)，ki為傳感器增益，i=1，2，…，n。

系統(tǒng)正常時(shí)特征方程為

當(dāng)系統(tǒng)中第i（i=1，2，…，n）個(gè)傳感器失效時(shí)，系統(tǒng)的特征方程變?yōu)?/p>

圖3　SISO線性定常狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)Fig.3　SISO linear constant state feedback control system

第n個(gè)傳感器失效時(shí)，第n-1個(gè)傳感器的反饋增益進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)控制律為：

系統(tǒng)任意一個(gè)傳感器故障后，按照控制律重構(gòu)后的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程與重構(gòu)前的特征方程相同，說(shuō)明按照式（3）和式（4）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制律重構(gòu)是有效的，能夠維持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上加入故障診斷單元，就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制。

1.3容錯(cuò)控制的實(shí)現(xiàn)

容錯(cuò)控制主要包括故障診斷模塊和容錯(cuò)控制器模塊。為了保證故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，故障診斷模塊采用“檢測(cè)—診斷”兩級(jí)診斷模式。檢測(cè)級(jí)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)蒸汽發(fā)生器水位傳感器的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，向診斷級(jí)發(fā)出信號(hào)，診斷級(jí)診斷是否發(fā)生恒偏差、恒增益和卡死等故障，將診斷結(jié)果提交到容錯(cuò)控制器模塊進(jìn)行控制律重構(gòu)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制輸出，驅(qū)動(dòng)給水調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器水位的容錯(cuò)控制。工作原理如圖4所示。

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上開(kāi)發(fā)蒸汽發(fā)生器水位的容錯(cuò)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，學(xué)習(xí)被控對(duì)象特性，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)故障模式，存儲(chǔ)相應(yīng)的容錯(cuò)控制策略下的重構(gòu)控制律，擴(kuò)展模型庫(kù)，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)控制律重構(gòu)的快速性。

圖4　故障診斷單元原理圖Fig.4　Principle diagram of fault diagnosis unit

2　仿真結(jié)果及分析

為驗(yàn)證蒸汽發(fā)生器水位容錯(cuò)控制器的控制效果，分別計(jì)算水位傳感器恒偏差、恒增益和卡死3種故障情況下蒸汽發(fā)生器水位隨時(shí)間的變化曲線，如圖5～圖7所示。其中，縱坐標(biāo)為水位的標(biāo)幺值，即實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的比值。

圖5所示為水位傳感器發(fā)生恒偏差故障時(shí)蒸汽發(fā)生器的水位隨時(shí)間的變化。首先系統(tǒng)在100%額定工況下穩(wěn)定運(yùn)行，450 s時(shí)插入水位傳感器恒偏差故障，故障大小為0.15。

圖5　水位傳感器恒偏差故障時(shí)的仿真曲線Fig.5　Simulation curve of fault of the constant deviation on water level sensor

從圖5中可以看到，由于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，當(dāng)水位傳感器發(fā)生恒偏差故障后，常規(guī)控制器在短時(shí)間內(nèi)水位有一個(gè)較大的水位波動(dòng)，最終在三沖量控制器的作用下穩(wěn)定在水位傳感器恒增益值附近。容錯(cuò)控制系統(tǒng)能診斷出水位傳感器發(fā)生0.15的恒偏差故障，并啟動(dòng)容錯(cuò)控制模塊，使得水位在過(guò)渡期的變化趨勢(shì)得到了遏制，波動(dòng)范圍小，并且能夠很快地將水位穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

圖6所示為水位傳感器發(fā)生恒增益故障時(shí)蒸汽發(fā)生器的水位隨時(shí)間的變化。首先系統(tǒng)在100%額定工況下穩(wěn)定運(yùn)行，450 s插入水位傳感器恒增益故障，故障大小為0.42。

圖6　水位傳感器恒增益故障時(shí)的仿真曲線Fig.6　Simulation curve of fault of the constant gain on water level sensor

從圖6中可以看到，水位傳感器發(fā)生恒增益故障時(shí)水位的變化情況與水位傳感器發(fā)生恒偏差故障時(shí)水位的變化情況類似。在傳感器發(fā)生故障時(shí)，常規(guī)控制無(wú)法將水位控制在設(shè)定值，而容錯(cuò)控制能夠很快地將水位調(diào)節(jié)至設(shè)定值附近。

圖7所示為水位傳感器發(fā)生卡死故障時(shí)蒸汽發(fā)生器的水位隨時(shí)間的變化。首先系統(tǒng)在100%額定工況下穩(wěn)定運(yùn)行，450 s插入水位傳感器卡死故障，即為水位傳感器失效。

從圖7中可以看到，水位傳感器發(fā)生卡死故障后常規(guī)三沖量控制是毫無(wú)作用的，最終會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)崩潰。而主動(dòng)容錯(cuò)控制能夠診斷出傳感器的卡死故障，并啟動(dòng)容錯(cuò)控制模塊，能在一定的時(shí)間內(nèi)將水位值穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

圖7　兩種控制方法下水位傳感器卡死故障時(shí)的仿真曲線Fig.7　Simulation curve of fault of the locked on water level sensor

3　結(jié)　語(yǔ)

本文以二回路系統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器為研究對(duì)象，在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了蒸汽發(fā)生器的主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)，針對(duì)水位傳感器的恒偏差、恒增益、卡死3種典型故障進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，水位傳感器故障時(shí)，傳統(tǒng)的三沖量控制無(wú)法將蒸汽發(fā)生器的水位維持在設(shè)定值。本文所設(shè)計(jì)的主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)在傳感器發(fā)生故障時(shí)，能夠及時(shí)診斷出故障類型、故障值，并進(jìn)行容錯(cuò)控制，使蒸汽發(fā)生器的水位維持在設(shè)定值附近?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)控制系統(tǒng)對(duì)于修正蒸汽發(fā)生器水位傳感器的故障是有效的。

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Fault tolerant control of the water-feeding system of steam generators

ZHAO Shuqin，ZHANG Yongsheng
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

In order to improve the reliability of the secondary circuit control system，a steam generator is taken in this paper as the research object，and a fault tolerant control system of the water level is according?ly designed based on BP neural network.Fault tolerant control simulation is also conducted on the Matlab/ Simulink platform，where the lumped parameter dynamic models of the steam generator are joined，and the calculated water level of the steam generator，with the fault of constant deviation，constant gain，or locked，is simulated respectively on the water level sensor.The experimental results show that the sensor faults could be diagnosed accurately and rapidly with the fault diagnosis model，and the fault tolerant control should be implemented when sensor faults occur.Meanwhile，the water level of the steam generator could be regulated close to the target value，and the system works steadily.In brief，the proposed fault tolerant control system based on BP neural network is effective to correct the water level sensor fault of the steam generator，and the system can be applied into the design of the steam generator water-feeding control sys?tem，which significantly improves the system reliability.

steam generator；water-feeding；fault tolerant control

U664.11

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.016

2015-04-08網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-3-17 10:56

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

趙淑琴（通信作者），女，1978年生，碩士，工程師。研究方向：動(dòng)力裝置控制與仿真。

E-mail：52228799@qq.com

張永生，男，1982年生，博士，工程師。研究方向：動(dòng)力裝置控制與仿真。

E-mail：zhang-262519@163.com