（油气井工程专业论文）钻井过程中的故障诊断方法研究.pdf

s t u d yo ff a u l td i a g n o s i sm e t h o d s i nw b l l d r i l l i n gp 眦e s s 姗j u n h e ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o l i ur u i w e n a b s t r a c t w e l ld r i h i n gi sac o m p l e xp r o j e c ta n db e ca _ u s eo ft h ec o m p l e x i t ya n de l u s i v eo fd r i l l i n g s t r a _ t u m ，t h ed r i l l i n gp r o c e s sh a sal o to fa i n b i g u i 吼u n c e i r t a i n t ya n dr a n d o m n e s s g e n e r a l l y m a n yc o m p l e xs i t u a t i o n se v e ns e v e r ea c c i d e n t sr e s u l t e d 仔o mt h ep o o ru 1 1 d e r s t a l l d i n go ft h e o b j e c t i v es i t u a t i o no rs u b j e c t i v e l yw r o n gd e c i s i o n sm a yo c c u r t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a m i m p o r t a n tt os a f eo p e r a t i o nb yu s i n ge a c hb n do fi n f o m a t i o n i n 、e l ld r i l l i n gp r o c e s s ， d i s c o v e r i n gt h eu n u s u a ls i t u a t i o n s 觚dp r e v e n t i n gt h eo c c u r o fd r i l l i n ga c c i d e n t s i nt h i sp 印e r ，f a u l td e t e c t i o na l l dd i a g i l o s i sm e t h o d sa r ed i s c u s s e di nd e t a i la l l dg r e y r e l a t i o n a la n a l y s i sa n dt i m es e q u e n c ea n a l y s i sm e l o da d a p t e dt ow e u “l l i n ga r e c o n c l u d e d a n a l y z e d c h a r a c t e r i s t i cp a r 锄e t e ro fd y n 锄i cs i g n a l sa n dd e v e l o p e d m a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o nf o rd y n a i i l i cs i g n a l s a n a l y z e dt h ec h a n g e so fv a r i o u sp a r 锄e t e r si n w e l ld r i l l i n gp r o c e s s1 j r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs i g n a l ，a i l dc o n c l u d e dc h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c so f d y n a i 】= 1 i cs i g n a l 、h i l ed r i l l i n gt o o l s 、v o r ka b n o m l a l l y b 2 l s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fr e l a t e d s t u d i e si n a 1 1 da b r o a d ，t h ev i b r a t i o nr e a s o n sa n df a i l u r em e c h a n i s m sa r ea n a l y z e da j l ds u r f a c e v i b r a t i o nt e s t i n gd e v i c ea r ed e s i g n e du s i n ga x i a la 1 1 da 1 1 9 u l a ra c c e l e r a t o r ss e n s o r s ；a n da l s o d i s c u s s e dt h em e t h o do fd e t e c t i n gt h em o d eo fo p e r a t i o no fd r i l l i n gt o o l sa tr e a lt i m eu s i n g v i b r a t i o ns i g l l a l sa n dc o m p o u l l d1 0 9 9 i n gp a r 锄e t e r sa n dd e v e l o p e dm ea s s o c i a t e dd i a g l l o s t i c s o n w a r e b a s e do nt h ec u r r e n tc o m p o u n dl o g g i n gs y s t e ma 薹l dd r i l ls t r i n gv i b r a t i o nm e a s u r e m e m s y s t e m ，t h eo n l i n ef a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i ss y s t e mu s i n gt h ec o r r e l a t i v et 1 1 e o 巧o f f a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i sh a sar e l a t i v e l yh i g hr e c o g n i t i o np r e c i s i o nt h r o u g he x p e r i m e n t t e s ta n dc a i la s s i s tt h eo p e r a t o r st od e t e c tf a u l t s t h ef a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i ss y s t e m a l s oh a sl i m i t a t i o n st h a tt h es u r f a c es e n s o r sc a l ln o td e t e c tt o r q u ea 1 1 dv i b r a t i o ns i g n a l so fm u d m o t o r k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，v i b r a t i o nm o n i t o r ，d r i l l i n gt o o l sf a i l u r e ，a c c e l e r a t o r i i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：霉毪矛互 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 翥詈篓嘉篓耋芋三一 指导教师签名： 理；! 姆& 日期：施扩月孑口日 日期：年月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 石油钻井工程是一项复杂的工程，钻探地层的复杂性、隐蔽性使钻井过程存在着大 量的模糊性、随机性和不确定性问题。由于对客观情况的认识不清或者主观意识的错误 决策，往往会产生许多复杂情况甚至造成严重的事故，轻者耗费大量人力、物力和时间， 重者导致全井废弃。随着钻井工艺技术的飞速发展，减少钻井事故、降低钻井成本，提 高经济效益是人们日益追求的目标。因此，利用钻井过程中的各种信息及时发现钻井异 常情况，预防钻井事故的发生是钻井工程人员和钻井技术科研人员研究的重大课题【l 】。 利用钻具振动信号和综合录井参数可以实时识别钻具工作状态，防止钻具损坏和钻 头磨损，及时预报钻头终结和钻具刺漏，同时能有效地保护m w d 等工具，从而能及时 调整钻井参数，减少钻具故障，优化钻井过程，提高钻井效率，降低钻井成本。 1 1 研究的目的与意义 钻井是高投入、高风险的工程，特别是在复杂层段或新探区，凭经验打井往往事故 不断，处理事故不但消耗了大量的人力和物力，而且大大提高了钻井费用，造成资金和 时间的巨大浪费。利用钻井过程中的各种信息及时发现钻井异常情况，预防钻井事故的 发生是钻井人员长期研究的重大课题，研究方向也由事故后的分析到事故前的分析、预 测和识别。但是，目前现场钻井过程中的异常识别和故障诊断，主要还是靠现场工程技 术人员和操作人员的肉眼观察，根据钻井参数的变化趋势和现场经验进行异常情况的判 别。这不仅需要高度的责任心，而且需要现场工作人员具有较高的专业知识水平和实际 工作经验。然而就目前条件而言，现场难以达到这一要求2 ，3 1 。 钻井过程中，在钻井事故发生前绝大多数情况下都有某些先兆，即表现为某些钻井 参数的异常。从出现事故征兆到事故的发生往往时间间隔很短，有的为几分钟甚至更短。 因此，及时发现钻井参数异常，对可能发生的事故进行实时预报，以采取相应的处理措 施，才能防止钻井事故的发生。钻井过程中的异常识别不但要求非常高的实时性，而且 要求相当高的技术性【4 】o 目前，对钻井工程事故进行预测分析，主要是通过测量和分析 各种钻井工程参数的异常变化来完成。 在故障检测与诊断理论的基础上，利用钻具振动信号和综合录井参数，开发钻井事 故实时预报系统，可以及时预报钻井过程中的复杂情况，减少由于工作人员经验不足、 判断失误引起的钻井事故，节省钻井时间和费用。 1 第一章绪论 1 2 故障检测与诊断技术的理论发展 故障检测与诊断技术的实质是实时了解和掌握系统的运行状态，对发生的各种异常 进行实时检测和预报，防止系统状态的进一步恶化；对其发生故障的原因、部位、危害 程度等进行识别和评价，并对系统的发展变化趋势进行分析和预测。 故障检测与诊断技术是二十世纪七十年代产生并发展起来的一门综合性边缘学科。 19 6 7 年在美国宇航局( n a s a ) 和海军研究所( o n r ) 的倡导和组织下成立了美国机械故障 预防小组( m f p g ) ，开始有计划、有组织地对诊断技术进行研究。麻省理工学院的b e 砌 博士于1 9 7 1 年首先提出了用解析余度代替硬件余度进行故障检测的新思想，标志着这 一学科的开端。这一方法利用系统的自组织使系统闭环稳定，并通过比较观测器的输出 得到系统的故障信息。之后，解析余度的f d d 技术取得了很大的发展，各种基于解析 余度的故障检测与诊断方法相继出现。 三十多年来，f d d 技术得到了深入、广泛的研究，已形成了许多可行性方法。很多 学术机构，如美国的机械工程学会( a s m e ) ，政府部门以及高等院校和企业都进行了与 本行业有关的诊断技术的研究，并取得了大量的研究成果。与此同时，还出现了一些专 业性的监测系统和诊断仪器的制造商，如b e n t l e y 公司、s c i e n t i f i ca t l a n t a 公司、h p 公 司等。目前故障检测与诊断技术已广泛应用于航空航天、人造卫星、船舶发动机、冶金 设备、机床、矿山机械、石化设备、输油管线等领域。美国的机械故障诊断技术在航空、 军事、核能等方面处于世界领先地位。英国的机械保健中心( m h m c ) 、沃福森工业维修 公司以及斯旺西大学的摩擦磨损研究中心等在汽车、发动机和摩擦磨损的监测和诊断方 面具有较高水平。另外，挪威的船舶诊断技术，瑞典s p m 公司的轴承监测技术，丹麦 b & k 公司振动监测诊断技术等也具有较高的声誉。七十年代中期，日本开始故障检测 与诊断技术的研究，八十年代以来，日本在钢铁、化工、铁路等民用部门的诊断技术得 到了快速发展，尤其是将模糊理论应用于诊断领域，具有明显的优势。当前，有关故障 诊断的基础理论研究和应用技术研究的机构已遍及美国、欧洲和日本的许多大学及国 防、军事和民用工业的研究部门，并取得了巨大的经济效益1 5 。1 引。 我国在故障检测与诊断技术的研究方面起步较晚，1 9 7 9 年机械工业部在长春举办的 机械设备技术培训班上，在学习日本的全员设备维修( t p m ) 时首次提到了设备诊断技术 的概念。1 9 8 3 年春，中国机械工程学会在南京召开了首届设备诊断技术专题讲座，交流 了国内外设备检测与故障诊断的经验，分析了开展设备诊断技术的必要性，同时看到了 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 我国与国外存在的巨大差距，向全国提出了开发和应用设备诊断技术的十条建议。因此， 可以说我国在设备故障诊断领域的研究起步于1 9 8 3 年。此后，我国政府及有关部门曾 多次邀请外国诊断技术专家来华讲座，如1 9 8 4 年日本新日铁公司的三下江、丰田利夫， 瑞典s p m 公司的b r o w n 等专家先后到我国进行了专题讲座，对我国推广机械故障诊断 技术及应用起到了良好的推动作用。1 9 8 5 年，在郑州正式成立了“机械设备故障诊断 研究会，并于次年加入中国振动协会，并更名为“故障诊断学会”。故障诊断技术的理 论和应用研究也相继在一些高等院校和科研机构展开，目前已应用于冶金、化工、机械、 电力及石油等行业，如西北工业大学的m d 3 9 0 0 系统、西安交通大学的砌v i d s 系统和 r d 2 0 系统、清华大学的b b 1 系统、华中理工大学的h z 1 系统、郑州大学的m m d s 9 0 0 0 系统等f 1 1 - 1 6 1 。 1 3 钻井过程中的故障检测与识别的研究现状 在七十年代前，钻井过程中的故障检测与识别，主要是利用简单的测量装置对某一 个或几个参数进行实时检测，如泥浆池液面、泥浆密度、立管压力等，人们需要根据参 数的变化情况主观判断可能发生的钻井故障。七十年代，法国的e l f a q i t a i n e 公司开发 了称为瞬态录井( s n a pl o g ) 的技术产品，主要用来检测地层岩性和钻头在井下的工作情 况，但当时因无法解释和避免因钻柱自身振动引起的干扰问题，因此，其检测结果的可 靠性受到质疑。七十年代后期，法国的g e o s e r v i c e 公司推出了第一代综合录井系统 ( t d c ) ，实现了对钻井过程中的多参数的连续实时测量。虽然它对钻井故障的识别产生 了巨大作用，但系统本身只有单参数超限报警功能，对故障的识别仍需要现场人员根据 参数曲线的变化进行分析。1 9 8 4 年，a r c o 公司研制开发了a d m s 高级钻柱分析和测 量系统，用以分析钻柱的振动问题和由此可能产生的钻具损坏，并可用来优化钻井作业。 1 9 8 6 年，e l f a q i t a i n e 公司又推出了“钻井动态控制装置( d d c u ) ”，利用安装在钻柱上 部的多个应变计和加速度计对拉力、扭矩、轴向加速度、扭转加速度、横向加速度和转 速等参数进行测量，该装置可分析检测钻柱的粘滑现象，判断钻头磨损情况，钻头是否 泥包等。 八十年代后期，特别是九十年代，随着m w d 和l w d 日益推广应用，国外的研究 重点转向了利用井下的加速度传感器、井底钻压、扭矩和转速等参数来识别钻柱的粘滑、 b h a 的工作特性、地层岩性和钻头的工作状态。如法国地质服务公司与i f p ( 法国石油 学会) 协作开发的a l s e v e 早期钻具振动分析系统【1 7 19 1 。 3 第一章绪论 利用综合录井仪采集的信号进行钻井过程中的故障监测与预报，在近几年得到了人 们的重视。国际录井公司( i n t e m a t i o n a ll o g g i n gc o m p a n y ) 结合其综合录井系统开发研制 出了钻具振动分析系统，该系统主要用于协助工作人员对井下有害的钻具振动进行检测 和抑制。它通过检测发生于钻具上扭转现象的瞬间变化，并将其作定量化描述，然后将 实时检测结果反馈给现场操作人员。除此之外，该系统还允许现场操作人员根据井下的 实际情况，设定避免由于钻具振动而导致井下故障发生的工作参数极限，以达到防患于 未然，延长井下钻具使用寿命的目的，为科学、安全钻井起指导作用【2 0 】。图1 1 为国际 录井公司的钻具振动分析系统。 最簏走钧费荷鼬瞄驭矩钨盘转速 “ ： - ：，： ：； ，i，： ! 莲l | ；| l ：”：弘蘧“篮： 1 ；。j w - 。，“黟泞 5 “ “j 。隆抟“ ! 曩 浮：爹 羞i ，：。，；一， 孓强k 一 ，：墨 o 。： “：! ， ：一 。 ，： 。+ 。； ：j j ： 一 型鍪 ji 摹f 蔓； i 一 翁黪? 一4 q ：埘。7 jt l m “ ；，一 r ，；：。 一，j - ； ： 萋曩! 。：净喾棼 。1 ”：。 17 l i 。羔： ，j 。一 一 ： 。，。 ；霪。一 - 。霉l i | 一 ? 。， ：、：。菱二 ”了譬 藿 f 4 。： ；一曩 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生振动波。利用特定的测量装置可以准确地测量钻柱振动产生的振动波，对钻柱振动波 的产生机理分析可以了解钻柱产生振动的原因，并为有效利用钻柱振动波提供依据。 1 9 6 0 年在实验和理论上b a i l e y 和f i n i l i e 对钻柱轴向和扭向振动问题进行了初步研 究，并给出了简单的钻柱振动模型，并在实验分析基础上确定钻柱的固有频率。p a s l a y 和b o g y 在1 9 6 3 年研究了牙轮钻头牙齿与岩石的间歇作用，从而引出了钻柱轴向振动问 题和横向振动引起的钻柱稳定性问题，与b a i l e y 和f i n n i e 不同，p a s l a y 和b o g y 模型考 虑了阻尼作用对钻柱振动机理的影响。d a r e i n g 在对钻柱动态分析上做了大量数值分析 工作。1 9 6 8 年d a r e i n g 和l i v e s a y 利用计算机求解钻柱轴向和扭向的振动问题，并给出 了一个完整的钻头一钻机动态模型，其中包括吊悬系统的刚度及质量，由于考虑的因素 5 第一章绪论 太多，使求解过程很复杂。h u a n g 和d a r e i n g 对钻柱侧向弯曲振动的问题进行了研究。 1 9 7 5 年，a m o c o 和m a r c 合作，利用有限元分析方法对b h a 的动态行为进行了 分析。m i l l h e i m 和a p o s t a l 对钻柱和b h a 三维动态模型进行了研究工作，以确定定向钻 井和钻头轨迹。1 9 8 0 年，k a t z 把钻头作为振源，进行了钻头定位和轨迹跟踪的研究。 19 81 年，d i r a d e s 、j u d z i s 和m i l l s 等人从静态和动态两个方面研究了b h a 的计算模型 和在波动钻压条件下钻柱的稳定性问题，为定向钻井做出了有意义的工作。j o r d a n 、 b a i r d 、a p o s t a l 和w b 肌1 e y 与c a s k e y 合作共同开发了三维瞬变有限元计算程序g e o d y n 和g e o d y n 2 ，主要用于模拟p d c 钻头条件下b h a 的稳定性问题及工具研究。b r a k e l 研究了在b h a 和钻头动态行为条件下如何预测井眼轨迹，及三牙轮条件下b h a 的分析 方法。 1 9 8 4 和1 9 8 5 年，s t a i l d a r do i l 分析了钻柱旋转的工作原理。d u l l a y e v s k y 提出了转 盘转速在一定条件下可以激发钻柱的共振，根据给出模型的计算结果可以确定钻压、 b h a 和钻柱长度及其钻进参数对钻柱振动的影响。w b l f 和z a c l ( s e n h o u s e 利用电缆高速 率的获取井下动态信号。1 9 8 6 年到1 9 8 9 年，a r r e s t a d 和k y l l i n g s t a d 利用现场实际获取 的数据完善了理论模型，研究了钻头和吊悬系统的边界条件对钻柱轴向振动的影响，提 出了估计钻柱共振的方法和公式。1 9 8 7 年，m i t c h e l l 和a l l e n 提出了受迫频率响应 f f r ( f o r c e df r e q u e n c yr e s p o n s e ) 动态分析模型，研究了b h a 振动故障问题，提出钻柱 侧向振动是导致b h a 故障的主要原因。a p o s t a l 、h a d u c h 和w i l l i 锄s 对f f r 模型进一 步完善，考虑了阻尼对有限元f f r 模型的影响，给出了b h a 的f f r 分析计算机程序， 并可以模拟画出任意井眼中的b h a 三维振动曲线。 近几年来，钻柱振动的研究逐渐应用于现场的实际生产中。d u f e y t e 和r a p p o l d 等 人研究了钻头粘卡现象和产生机理。a l d r e d 和s h e p p a r d 进一步研究了钻柱振动机理， 利用扭矩反馈信息稳定钻进过程。p a s l a y 利用钻柱振动地面测量装置的轴向和扭向传感 器研究了b h a 的横向振动问题f 2 2 之9 】。 钻柱振动波也成功应用于随钻地震方面。具备能将深度与地震旅行时联系起来的实 时信息，可以显著提高钻井作业效率和安全性。有两种互补随钻测量方法可以提供地震 时一深的实时解答。一种是随钻地震，另一种是随钻声波，它们经过各种环境测试，证 明都能够为钻井中的关键决策及时提供信息。斯伦贝谢公司的随钻地震技术就是通过安 装在钻机顶部驱动的鹅颈管处加速度计和安装在地面的检波器实现的。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 5 本文研究内容和思路 通过对钻具振动和综合录井技术的国内外发展历史和应用现状的调研，可以看出， 对于钻井过程中的故障检测与诊断，国外主要利用井下测量装置对钻具、钻头振动和转 动情况进行研究，由于需要井下测量工具和信号传输装置，并且使用费用较高，目前在 我国尚不适用。国内在这方面的研究目前还处于起步阶段，主要利用综合录井参数进行 判断。本文在考虑到以上问题的情况下，在跟踪国内外最新发展动态和最新钻井技术的 基础上，对钻具振动进行了地面测量，并对钻具振动信号进行了分析，提取特征信息， 结合综合录井参数对钻井过程中的钻具故障进行检测与诊断，并开发一套钻井过程中的 在线故障检测与诊断系统。 ( 1 ) 本文主要研究内容 故障检测与诊断方法理论研究； 动态信号的数学描述方法； 钻具振动信号的分析与应用； 钻井过程中常见钻具故障的参数变化特征； 在故障检测与识别理论的基础上，对适合钻井工程实际情况的故障诊断与检 测方法进行研究； 开发钻井过程中在线故障检测与识别软件系统。 ( 2 ) 本文的研究思路 由于国外在钻具振动分析及其利用方面做了大量的研究，本文首先对国外研究成果 进行了总结，并学习国外钻具振动分析与测量系统的工作原理。 故障检测与诊断技术已是一门比较成熟的学科，在详细学习故障检测与诊断技术的 基础上，提出适合钻井具体过程的故障检测与诊断技术。 在大量调研和实验的基础上，总结出钻具发生故障时钻具振动信号和综合录井参数 的变化特征，对钻具振动信号和综合录井参数变化特征进行数学描述，并利用s u a l b a s i c 语言编写一套钻井过程中在线故障检测与诊断系统。 论文的主要思路： 利用钻具振动地面测量装置测量钻具振动信号，并进行数学分析，提取动态信号特 征值，结合综合录井参数，以总结的钻具异常时的参数变化特征为依据，应用适合钻井 实际情况的故障检测与诊断方法进行故障诊断，开发软件系统。 7 第二章故障检测与诊断的理论及方法 第二章故障检测与诊断的理论及方法 故障检测与诊断( f a u l td e t e c t i o na 1 1 dd i a g i l o s i s f d d ) 技术是建立于“监控系统 的需 要而发展起来的一门综合性技术。特别是近2 0 年来，随着科学技术的不断发展，尤其 是测量技术和计算机技术的迅速发展和普及，它已逐步形成了一门较为完善的新兴应用 型的边缘学科。它涉及到现代控制理论、信号分析与处理、模式识别、计算机工程、人 工智能、电子技术、应用数学等多门学科。故障检测与诊断是对系统异常状态的检测、 异常状态的原因识别以及包括异常状态预测在内的各种技术的总称。 2 1 故障检测与诊断的基本思想 2 1 1 故障检测与诊断 ( 1 ) 故障检测 故障检测是根据设备运转过程中所产生的各种信息来确定系统的运行状态。通过对 实时采集到的各子系统( 或部件) 的信号进行分析和处理，即可对系统的运行情况进行识 别和判断，确定是否可能发生故障。信息的来源一般有两种，一种是系统运行过程中所 产生的信息，另一种是通过对某一部件或者对整个系统进行激励使之产生信息。 检测的目的就是收集故障诊断所需的信息，包括由各种传感器测量的信号，正确、 有效信号的获取是进行故障诊断的先决条件。检测的基本方法是将系统正常运行时的值 作为标准值加以记录，当测量值与标准值之差超过某一给定的阈值时，则认为是异常状 态【3 0 1 。一般常用的检测方法有两种：基于正常值或标准模式的方法，图2 1 是其运行模 式；以系统的状态模型为基础的判别方法，如图2 2 所示。 图2 一l 基于正常值或标准模式的检测方法 f i 9 2 - l d e t e c t i o nm e t b o db a s e do nn o r m a iv a i u eo rs t a n d a r dm o d e 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 2以系统的状态模型为基础的判别方法 f i 9 2 乏d i s c 聆t i o nm e t h o db a s e do na p p e a 甩c em o d e lo fs y s t e m ( 2 ) 故障诊断 根据检测到的异常状态，判断故障类型、故障发生的部位，找出故障发生的原 因，估计出故障的严重程度，进行相应的评价与决策是故障诊断的主要内容。 故障检测与诊断是统一的整体，因此，有时也可把故障检测与诊断简称为故障 诊断，实际上它是系统运行过程中的异常状态识别。在实际过程中，系统状态本身 是一个动态变化和发展的过程，当前的正常状态在一定时间后可能会发展变化为异 常状态，因此，故障的诊断必须包括设备运行状态的检测和识别、系统运行状态的 趋势分析和诊断决策【3 1 1 。抽象到理论上来看，系统的故障诊断就是信息处理和系统 辨识在现代诊断技术中的应用。 故障诊断的基本思想为：设被检对象全部可能发生的状态( 包括正常状态和故障 状态) 组成状态空间s ，被检系统可观测特征量的取值范围全体构成特征空间l 当 系统处于某一状态s 时，系统具有确定的特征l 即存在映射g ：s y - 反之，一定 的特征也对应确定的状态，即存在映射，】，哪。状态空间与特征空间的关系可用图 2 3 表示。 f 图2 - 3 特征空间与状态空间的映射关系 f i 9 2 - 3m a p p i n gr e l a t i o no fc h a r a c t e r i s t i cs p a c ea n da p p e a i a n c es p a c e 如果厂和g 是双向函数，即特征空间和状态空间存在一对一的单影射，则由特 征空间向量可唯一确定系统的状态，反之亦然。故障诊断的目的在于根据可测量的 特征向量来判断系统处于何种状态。 9 第二章故障检测与诊断的理论及方法 若系统可能发生的状态是有限的，假如可能发生种n 故障，这时把系统正常时 的状态记为印，把不同故障状态记为s l ，5 2 ，当系统处于状态s ，时，对应的 可测量特征向量为y 严n 忍，咖) 。故障诊断就是由特征向量y = 1 此，批) 来确 定系统所处的状态s 的过程。在许多情况下，故障状态并非绝对清晰的，具有一定 的模糊性。因此，它所对应的特征向量也在一定范围内波动，这种情况下，故障诊 断就成为按特征向量对被测系统进行分类的问题或对特征向量进行状态的模式识别 问题。因此，故障诊断实质上是一类模式分类问题阎。 2 1 2 故障的类型 系统在运行过程中，由于部件的损坏、环境的变化等原因，可能发生不同的故 障。当发生某一故障后，由传感器测量的信号会表现出相应的特征，根据检测信号 的变化特征情况，故障类型可划分为以下几种【3 3 】： ( 1 ) 脉冲型故障 脉冲型故障是指系统在运行过程中，由于某种原因，其信号发生不定时的波动 脉冲，但一个或几个信号脉冲过后，又会表现出平稳状态。这种故障一般是由外部 环境的激励所造成，也可能是系统某一部件发生损坏的前兆。 ( 2 ) 阶跃型故障 指系统在运行过程中由于某一部件的损坏，其相应信号的能量发生突变，表明 系统进入异常工作状态。一般情况下这种故障类型比较容易识别。 ( 3 ) 慢漂型故障 产生这种类型的故障的原因一般是由于系统部件的逐渐磨损或系统运行环境的 逐步恶化造成的。在测量信号上表现为某一或几个物理信号发生慢漂现象。这种类 型的故障由于现象在短时间内不明显，不易被人们所觉察，因此也往往会造成严重 的后果。 ( 4 ) 组合型故障 系统在发生故障后，其信号特征不仅表现为均值的慢漂，而且同时伴随有信号 的剧烈波动，此种故障称之为组合型故障。对组合型故障的检测与识别一般要比单 一型故障复杂。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 1 3 故障检测与诊断的基本过程 故障检测与诊断的过程主要分为以下三个步骤【3 知3 6 】： ( 1 ) 信息采集 信息采集是进行故障诊断的基础，系统运行过程中的信息一般有两种，一种为 以能量形式表现的物理信号，另一种是以物态形式表现的系统信息。对通过能量形 式表现出的物理信号( 如各种形式的力、压力、温度、振动波等) ，一般采用实时检 测方式；对某些以物态形式表现出的信号，当不能用传感器直接测量时，可采用人 工分析描述的形式进行量化处理。在对系统运行时的有关信息进行检测时，应尽可 能选择对故障反映敏感的特征参数，以提高诊断结果的可靠性，同时必须考虑到环 境因素的影响。 ( 2 ) 特征提取 由传感器测量的信号一般其特征表现不明显，某些情况下很难直接用于故障的 判断。因此，常常需要对直接采集的信号进行时域或频域内的分析处理，并对信号 的变化历程进行趋势分析，以提取对故障诊断最有用的特征参量。 ( 3 ) 故障诊断 故障诊断就是利用信号分析处理后所得到的特征参量，运用各种知识和经验获 得的各种故障模式，对系统运行状态的识别、判断和预报。故障诊断的过程如图2 4 所示。 图2 - 4 故障诊断的一般过程 f i 9 2 - 4c o m m o np r o c e s so ff a u l td i a g n o s i s 第二章 故障检测与诊断的理论及方法 2 1 4 故障检测与诊断的智能化 随着人工智能技术的发展，特别是知识工程、专家系统和人工神经网络在诊断 领域中的进一步应用，人们对智能诊断问题进行了更加深入的研究。所谓故障诊断 技术的智能化就是它可以有效地获取、传递、处理和利用诊断信息，从而成功地进 行状态识别和发展趋势预测【3 7 1 。 智能诊断系统具有如下特点： ( 1 ) 是一个开放系统，其智能水平是一个动态变化过程，具有自我提高的能力； ( 2 ) 是一个人工智能系统，它利用专家的知识和经验通过硬件设备和软件系统 来达到诊断的目的，同时不排斥人的参与； ( 3 ) 智能化诊断系统应是在线实时诊断系统。 2 2 故障检测与诊断的常用方法 由于系统组成的差异性和故障的多样性，在实际生产过程中形成了多种故障检 测和诊断理论。虽然其具体方法各种各样，但可归纳为三大类，第一类是基于系统 动态模型的方法；第二类是基于因果关系的诊断方法；第三类是基于知识的诊断方 法。 基于动态模型的诊断方法是根据系统的输入输出关系建立系统的动态模型( 或 状态模型) ，利用观测器或滤波器对系统的状态或参数进行重构，并形成残差序列， 然后采用一些措施来增强残差序列中所包含的故障信息，抑制模型误差中的非故障 信息，通过残差序列的统计分析即可检测出系统是否产生了故障并进行故障诊断。 该方法一般常用于对控制系统的故障诊断。 基于因果关系的诊断方法的基本思想是：系统在运行过程中，其输入和输出之 间在幅值、频率、相位及相关性上必然存在一定的联系，发生故障时所检测到的信 息和故障之间也必然存在一定的因果关系，表现出某些特征。利用这些特征即可进 行故障的诊断。 基于知识的诊断方法就是利用人对系统认识的经验和知识，由计算机模仿人的 推理过程进行故障诊断。 实际过程中常用的方法有： ( 1 ) 参数估计法 ( 2 ) 自适应观测器滤波器法 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 3 ) 频谱分析法 ( 4 ) 相关分析法 ( 5 ) 统计识别法 、( 6 ) 逻辑识别法( 故障树诊断法) ( 7 ) 专家系统诊断法 ( 8 ) 人工神经网络诊断法 ( 9 ) 灰色理论诊断法 ( 1 0 ) 模糊理论诊断法 由于诊断对象的不同及诊断问题的多样性，在诊断技术的发展过程中形成了众 多的诊断方法。在实际的应用过程中，各种诊断方法间相互渗透和结合，它们既存 在相似的共性，也有其特殊的理论和技术关键。基于动态模型的诊断方法的优点是 可以充分利用系统内部的深层知识和逻辑关系，有利于故障的诊断。但是，在许多 情况下建立系统的模型比较困难，甚至是不可能的，因此方法的适用性受到一定限 制。模型误差也会对诊断结果产生一定的影响。基于因果关系和知识的识别方法充 分利用了人们的知识和经验，适用范围广，方法灵活，可用于不同系统的故障检测 与诊断，因此它们是目前较为流行和实用的故障识别方法【3 8 圳】。 2 2 1 统计识别方法 在系统运行过程中，系统的输入、输出信号及系统的特性信号具有较大的随机 性，从检测信号中提取系统运行特征参量时必须采用统计方法，因此，统计识别方 法是最基本的诊断方法【4 2 】。 统计识别法的诊断过程一般分为以下四个基本过程： ( 1 ) 信息采集 ( 2 ) 特征提取 ( 3 ) 标准特征库的建立 统计识别法需要根据工程中的实际经验、知识、实验( 或事后) 统计数据及理论 分析建立系统正常状态的标准模式集和各种常见故障的标准模式集，它是统计识别 的关键。 ( 4 ) 比较识别 比较识别就是把从被诊断对象的实时信号中提取出来的特征元素与各标准模式 1 3 第二章故障检测与诊断的理论及方法 进行比较，根据相应集合的接近程度给出诊断结论。因此，此方法又称为聚类分析。 比较识别的基本算子为： d = ( x ) ( 仃一厨)( 2 1 ) 热。一为故障媳。= ? 舅嚣霪； 仃一门限值； ，一系统的特征元素值； 卜标准库中对应得特征元素值； 。) 一单位阶跃函数，( 力= ? 二三3 。 j 当特征元素由n 个特征参数x 1 ，娩，渤组成的特征向量时，每个特征向量相当 于在n 维特征空间中的一个点。按照聚类分析准则，将这些特征向量划分为若干个 群，每一个群代表一种状态，设有m 个状态：d 1 ，d 2 ，队，则同一状态的各特征 点相对密集，不同状态的特征点距离较远。 假设断为待检特征向量，k 1 ，恐，为标准模式向量，则厨与各标准模式特 征向量间的距离吠如坳，产1 ，2 ，聊，是确定待检状态厨的依据。若： d ( k r ，k ，) = m i n d ( k r ，k 1 ) ，d ( k r ，k 2 ) ，d ( k 7 ，k 。) )( 2 - 2 ) 则说明k r 与玛距离最近，即待检状态归类于毋。比较识别过程如图2 5 所示。 状态分类常用的距离函数有加权欧氏距离、马氏距离、信息距离和相似性指标等。 状态d l 状态d 2状态d 。待检状态d l t 图2 - 5 利用距离函数进行状态识别 f i 9 2 5 r e c o g n i z et h ec o n d i t i o nu s i n gt h ed i s t a n c e f u n c t i o n 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 根据故障诊断的内容和要求不同可分为基本型、析因型和预报型三种类型。基 本型只给出被诊断对象是否发生故障的结论；析因型在基本型的基础上增加了故障 原因分析，它是常用的一种类型；预报型在基本型的基础上增加了故障预报功能。 基本型 基本型的识别算子为： 巾辱i 或：d 刊砂偿b ，一厕】l l ，军lj ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 式中：。一为故障变量，。= ，。羹雪釜霪； q 一第i 个特征元素的门限值5 三，一第i 个特征元素值； 墨一标准库中的第i 个特征元素值o 一单位阶跃函数。 析因型 析因型仍然用基本型算子判别故障是否存在，故障原因用下式进行分析： i，ri 嘭= 艿 m 一( x ) ( 厶一墨) 2 ( 2 - 5 ) 式中：巧一第个故障变量，吒= d 舅季蒌蒌； m 一对应故障| 的特征元素个数； 一全部特征元素个数。 2 2 2 逻辑识别方法 利用逻辑特征量进行故障识别的方法称为逻辑识别法。在利用逻辑识别法进行 故障识别时，需要对描述系统状态的特征参量进行量化( 数值化) 。如某一特征参数 “升高”、“降低”和“无明显变化”可分别用“1 、“一1 和“o ”来表示。般的 物理量都可转换为逻辑量，只要设定一个或多个门限值( 如低限和高限) ，超过高限 逻辑状态为“1 ”，超过低限逻辑状态为“1 ”，介与二者之间为“o ”。在逻辑识别法 1 5 第二章故障检测与诊断的理论及方法 中最常用的为故障树分析法，它利用树状结构和逻辑运算来进行故障分析识别。 ( 1 ) 故障树的建立 故障树反映了特征空间向量与故障向量之间的逻辑关系，如果把特征向量看成 一个聊