热工系统故障诊断与容错控制发展问题论文

热工系统故障诊断与容错控制发展问题研究【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。

控制系统故障诊断与容错控制不仅成为控制理论研究的热点问题，而且也成为生产过程中急需解决的问题。

电力工业非常重要，近年来电厂热工过程自动化水平得到极大的提高，另外目前火力发电机组单机容量不断增大，其热工过程控制系统变的更加庞大和复杂，但火力发电机组设备昂贵，热工控制系统的任何故障都可能导致巨大的安全事故与经济损失，所以安全性与可靠性已经成为电厂最佳连续经济运行的先决条，研究电厂热工控制系统的故障诊断与容错控制具有重大实用价值。它不仅符合控制理论发展方向并且是生产过程急需，具有一定理论意义和应用价值。

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。

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。

１．４控制系统故障诊断热点及难点问题

控制系统故障诊断的热点问题主要有:（１）鲁棒性问题。基于数学模型的故障诊断在线性系统已经非常成熟，但应用到实际领域还相对较少并且基于数学模型的故障诊断方法受模型不精确，干扰很大影响，如何设计一个对于故障灵敏而对于模型误差，未知输入因素不灵敏的鲁棒性检测器已经成为研究的热点问题之一；（２）在基于信号处理的小波变换的故障诊断也是研究的一个热点方向

之一。

２．容错控制的发展

容错控制是容忍故障的简称，所谓容错控制系统，就是具有冗余能力的控制系统，即在某些部件发生故障的情况下系统仍能按原定性能指标或性能指标略有降低(但可接受)而安全完成控制任务。

经过几十年来，各国学者针对自己的研究、应用背景在理论上取得了很大的成果，发展到目前有基于鲁棒思想的完整性设计，可靠性镇定、联立镇定，以及基于故障检测与诊断技术的系统重构及智能控制方法，并且在近年来随着神经元网络的发展逐步出现了一些针对模型不确知系统的容错方法，以下从主动容错与被动容错两

个方面介绍容错控制的发展及应用方面的进展。

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，它包括锅炉、汽机、发电机、加热器，辅助设备等庞大系统，任何一个热工设备故障都会造成巨大的经济损失与安全损失，对于电厂来说，热工过程的故障诊断具有特殊重要的意义，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。虽然近来许多研究机构正在研究或已经推出电厂热工过程其他部分的故障诊断系统，比如清华热力系统故障诊断系统，炉膛结渣诊断系统，巴威公司的锅炉管寿命诊断系统，westinghouse的汽轮机通流部分故障诊断等等，但此类成果相对较少。

（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