试论热工系统故障的诊断与分析

【摘 要】现代化的工程技术系统正朝着大规模、复杂化的方向发展。这类系统一旦发生事故就可能造成人员和财产的巨大损失，因此切实保障现代复杂系统的可靠性与安全性具有十分重要的意义。而故障诊断与容错控制技术的出现，为提高复杂系统的可靠性开辟了一条新的途径。与工程实践中安全性的重要性日益突出相对应，故障诊断和容错控制理论也成为控制理论发展的热点问题。

【关键词】热工系统；故障诊断；容错控制

目前，自动控制技术已广泛深入地应用到电力生产的各个方面。在电力工程中往往存在着复杂而庞大的自动控制系统，这些控制系统的稳定安全运行已经引起越来越多的注意，保证控制系统的安全性与可靠性已经成为首要目的。

1.控制系统故障诊断的发展

1971年美国专家提出用解析冗余代替硬件冗余，通过系统的自组织使闭环稳定，并通过比较观测器输出得到系统故障信息的新思想标志着这门科学的诞生。在以后的几十年里，故障诊断技术得到了很大的发展，目前，国际上每年发表的有关FDD的论文与报告在数千篇以上。目前，故障诊断主要方法有基于数学模型的方法，基于输入输出信号处理的方法，基于人工智能的方法。

1.1基于数学模型方法

从1971年以来，基于数学模型的故障诊断方法，在自动控制的过程系统的中受到越来越多的重视，它是一种与硬件冗余相对应的一种方法，它主要是利用系统可以测量的运行信息（系统的输入，输出）来和系统的数学模型所提供的各种先验知识所规定系统的理想无故障系统应输出信息比较得来的信号来进行检测，分离存在于系统的故障。

下面简要介绍一下基于数学模型的故障诊断的基本概念。

故障：系统至少一个特性或参数出现较大的偏差超出了可接受的范围。此时系统的性能明显低于正常水平，难以完成其预期的功能。

加性故障：故障加性地作用于系统的输入输出上，因此对残差信号的影响也是加性的。

严重故障：在特定的操作下，由于故障使系统丧失了完成给定任务的能力。

失灵：在系统完成特定的任务时出现了间断的不规则现象。

残差：故障指示器，由测量值与模型计算值的差得到。

症状： 由故障引起的系统的可观测的特性与其正常的特性相比所出现的异常变化。在基于解析模型和信号处理的诊断方法中，他们通常由传感器测量信号反映；在基于知识的故障诊断方法中，操作人员通过观察（如设备振动情况，声音信息等）用语言描述的故障现象也是重要的症状信息。

故障检测：确定系统是否发生了故障。

故障辨识：在故障分离之后，确定故障的大小和故障发生的时间。

故障的诊断：有狭义和广义之分。广义上它通常作为故障检测、分离和辨识的统称；狭义上它特指故障分离与故障辨识。

故障检测与分离：故障检测与分离之和。

故障检测与诊断：故障检测与诊断之和。

基于数学模型的故障诊断包括两个基本的阶段：残差产生和故障决策。

残差产生：残差产生单元的主要目的是利用被监控系统的可用输出输入产生故障指示信号残差，这个信号用来反映被分析系统的可能故障。当系统无故障时，残差信号应该为零或接近于零，当有故障时，残差信号应显著地不同于零值。残差信号在理想的情况下，应该独立于系统的输入，输出。用来产生残差的算法或处理单元称为残差产生器，从系统中抽取故障症状，出于鲁棒性的考虑残差信号理想情况下的应该只考虑故障信息。另外一方面，为了确保可靠的故障检测与辨识，残差信号中的故障信息的损失应该尽可能的小。

故障决策：残差被用来检测故障的可能性，决策的规则是检测故障所必须的。故障决策的方法有许多种，可以简单设定一个阀值，也可以用统计决策理论，比如一致似然比或序贯概率比的方法。

基于数学模型方法是最早发展起来的，此方法需要建立在被诊断对象较为精确的基础上，进一步可分为：基于参数估计法，基于状态估计方法，一致空间法。

1.2基于可测信号的故障诊断法

（1）可测值或其变量变化趋势诊断法。这种诊断方法根据直接可测的输入输出及其变化趋势进行故障诊断，其依据是：正常情况下被控过程的输入输出及其变化在一定范围变化。

（2）基于可测信号处理的故障诊断方法。它包括对于输入输出信号做小波变换来进行故障诊断以及利用系统输出在幅值、相位频率及相关性上与故障源之间会有联系。这些联系可用预定的数学形式来表达，在发生故障时则可利用这些量进行分析处理来判断故障源的存在，常用的方法有谱分析法，概率密度法及功率谱分析法。

1.3基于人工智能方法

（1）故障诊断的专家系统的方法。

（2）故障树的诊断方法。

（3）基于模式识别的诊断方法。

（4）基于模糊数学的诊断方法。

（5）基于人工神经元网络的方法等等。

2.容错控制的发展

2.1被动容错控制

被动容错控制大致可分为：可靠镇定、完整性、与联立镇定。

可靠镇定：它是针对控制器失效的容错控制，当任意一个或多个补偿器失效而剩余的补偿器正常工作，闭环控制系统仍可以保持稳定。

完整性：一直是被动容错控制的热点问题。它是专门针对控制系统执行器、传感器失效的一种被动容错控制。

联立镇定：主要研究给定N个有限维的连续时间线性时不变对象，构造一个固定的控制器，使其能够镇定上述任意一个被控对象，这是针对被控对象的一种被动容错控制。

2.2主动容错控制

主动容错控制是指在控制系统发生故障后重新调整控制器参数，也可能改变控制器的结构，大多数主动容错控制需要FDD子系统，少部分不需要FDD子系统，但需要已知各种故障的先验知识。

2.3容错控制研究的热点，难点问题及应用

容错控制作为一门新兴的交叉学科，其科学意义就是要尽量保证动态系统在发生故障时仍然可以稳定运行，并且具有可以接受的性能指标，因此容错控制为提高复杂动态系统的可靠性开辟了一条新的途径。由于任何系统都不可避免地会发生故障，因此容错控制也可以看成为是保证系统安全的最后一道防线，目前容错控制的难点与热点问题主要有以下几个方面： （1）快速FDI的方法研究。（2）主动容错中的鲁棒性分析与综合以及鲁棒故障检测与鲁棒控制集成设计的问题。（3）控制律的在线重组与重构。（4）非线性以及时滞动态系统，高维，时变多变量对象的容错控制设计问题。

3.热工过程故障诊断和容错控制的发展

电厂的火电机组设备昂贵，热工过程非常庞大和复杂，目前，电厂热工过程故障具有多样性的特点，包括机械设备故障、流程故障、液压系统故障等，有些故障属于渐变性故障，有些故障属于突变性故障，故障诊断的方法也具有多样性的特点，经过认真研究与分析得出如下结论：

（1）电厂热工过程的故障诊断集中在旋转机械中使用较多，特别是对汽轮机的故障检测和诊断应用的例子也较多。

（2）应用于电厂的故障诊断方法多集中在基于人工智能方法以及基于信号处理方法，对于基于数学模型的方法应用还很少。因为电厂热工过程对象复杂而庞大。系统的非线性和外界干扰复杂，有些根本不能进行精确的数学建模，因此基于人工智能的故障诊断方法和基于信号处理的故障诊断方法在电厂应用更加广泛。

综上所述，在电厂热工过程中的故障诊断研究已经取得很大进展，但针对热工过程控制系统故障诊断与容错控制的研究还很少，而电厂热工控制系统的可靠、稳定运行对于电厂的安全生产与经济效益又有着极端重要的意义。 [科]

【参考文献】

[1]罗楠，贾石峰.一种多模态仿人智能控制器的设计[J].科技咨询导报，2012，（09）.