（电力系统及其自动化专业论文）基于诊断控制的可控整流设备建模仿真技术研究.pdf

a b s t r a c t t h em o r ep o w e r f u lt h er e c t i f i e ri s ，t h em o r ei n t e r f e r e n c ei th a s t od e c r e a s e t h e h a r m o n i ci n t e r f e r e n c e ，i tm a i n l ys e t 12 - p u l s e so r2 4 一p u l s e sr e c t i f i e ri nh i g hp o w e r a p p l i c a t i o n i nm u l t i p u l s e sr e c t i f i e rc i r c u i t ，i ti s d i f f i c u l tt ot a k ef a u l td i a g n o s i sa n d f a u l tl o c a t i o nb e c a u s eo fm o r er e c t i f i e ru n i t s ，m o r ef a u l tc o m b i n a t i o na n dv a r i a b l e t r i g g e ra n g l e s t h e r e f o r e ，i ti s m e a n i n g f u lt o t a k et h eo n l i n em o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i s a i m i n ga ts o l v i n ga b o v ep r o b l e m s ，t h ea r t i c l e t a k e st h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t “v e h i c l e e d d y c u r r e n tb r a k es y s t e m ”a st h ep l a t f o r m t oa c h i e v eac o m p u t e r m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n gs y s t e mi n c l u d i n g s o m e s u b s y s t e m s ，s u c h a sd a t a a c q u i s i t i o n ，d a t aa n a l y s e s ，f a u l td i a g n o s i sa n dc o n t r o l l i n go u t p u t t h et h e s i st a k e st h ed o u b l es e r i a lc o n t r o l l e dc i r c u i ta sa l le x a m p l e o nt h eb a s i s o f t h ef a u l t c l a s s i f i c a t i o n ，t h eo u t p u tv o l t a g e w a v e f o r m sa r ed i v i d e di n t o s u b w a v e f o r m s b y t h ec o u n t so ft h er e c t i f i e r v o l t a g ep u l s e s w a v e s t h e nt h e s u b w a v e f o r m sa r ef u r t h e rc l a s s i f i e db yr e a lt i m em e a s u r e m e n to ft h ev o l t a g e ，t a k e n f r o ms u b - w a v e f o r ms a m p l i n gp o i n t s a v e r a g ev a l u e sa n ds t a n d a r dd e v i m i o n s t h u s t h ef a u l tw a v e f o r m sc a nb ed e s c r i b e db yp a t t e mv e c t o r s t h ea u t h o ra r g u e st h a tt h e f a u l t sc a l lb ed i a g n o s e do n l i n ea n de x a c t l yl o c a t e db yc y c l es h i f t so fp a r e mv e c t o r s b i n a r yc o d e a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e ra n a l y z e st h eh a m a o n i ce n g e n d e r e db y d o u b l e b r i d g ec a s c a d ec o n n e c t i o ns e q u e n t i a lc o n t r o ls c r c o n v e r t e ra n dg i v e st h em e t h o dt o c o n s u l ti nc o n t r o l l i n gt h eh a r m o n i cd u r i n gt h er u n n i n gs t a t e t h ea u t h o re x p l o r e so nt h es t r u c t u r em o d eo f c o m p u t e rr e m o t em o n i t o r i n ga n d d i a g n o s i st h r o u g ht h e n e t w o r kw h i c hb r i d g et w op l a t f o r m ：w i n d o w sa n dl i n u x f u r t h e r m o r e ，t h ea u t h o rg i v e s t h es o f t w a r er e a l i z a t i o no f t h es y s t e m k 吖w o r d s ：f a u l td i a g n o s i s 、r e c t i f i e rc i r c u i t ，s e q u e n t i a lc o n t r o l 、p a t t e r nr e c o g n i t i o n h a r m o n i c 、v i r t u a l l n s t r u m e n t 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文：一 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确 注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 基1 诊断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 第一章绪论 1 。1 课题研究的背景 该课题是株洲电力机车研究所“高速列车故障诊断”课题中“基于诊断控 制的可控整流设备建模仿真技术研究”子课题。 近年来，随着电力电子装置的广泛应用，电网中的谐波污染也日益严重， 电力电子装置已成为公用电网中最主要的谐波源之一。在基于传统相控技术的 整流电路中，网侧电流和电压绝大多数为非正弦，因此对公用电网而畜相控整 流装置是重要的谐波发生器。为减轻整流装置谐波对电网的影响，提高整流电 压直流成分的纯洁度，就需要适当增加整流电路的相数，设法使次数相同而相 位相反的谐波互相抵消。在城市地铁、轨道交通的电力牵引、钢铁以及化工等 行业的整流电路往往采用多相( 如1 2 相) 大功率可控整流电路。 实际生产过程中，整流装置中最易损坏的为整流元件。在大功率可控整流 装置中，整流元件发生的故障主要是直通和开路。当整流元件发生直通故障 时，瞬间将造成相间电压短路，保护电路动作，切断主回路；当整流元件发生 开路故障( 包括整流元件损坏、快熔熔断或触发脉冲丢失等故障) 时，整流电 路依然工作，这种带病工作将导致整流波形发生严重畸变，使负载不能正常运 行，对生产过程带来破坏性影响，同时也加大了对电网的干扰。因此，对整流 装置进行在线监测和故障诊断定位具有重大的意义。 到目前为止，国内外已有不少科研单位在开展整流设备的故障诊断和控制 策略的研究。现有的电力电子装置的故障诊断方法有：( 1 ) 传统的电流检测 法；( 2 ) 传统的电压检测法；( 3 ) 模式识别等方法，即通过对故障波形的变 换，寻找故障特征，实现故障诊断，包括直接波形分析、谱分析1 2j 、沃尔什分 析法引、基函数法i ”、和基于神经网络f 5 1 和小波6 1 等故障诊断方法。前两种方法 是直接测量输出信号是否超出阌值范围来判断是否故障，这些方法测试点多， 硬件电路复杂，抗干扰性能差，一般很少采用。更常用的方法为模式识别的方 法，直接的波形分析法适合于建模简单的二极管整流电路，不适合对晶闸管可 控整流电路进行建模分析。现有的谱分析方法和神经网络等方法仅适用于三相 基于渗断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 桥式可控整流电路，没有扩展至多重化整流电路，当故障种类增多时也不能准 确诊断其复合故障，而且当采样点和触发角发生变化时对诊断结果也有影响。 因此，对于多脉波整流装置，由于整流功率器件数量多，组合起来故障类型较 多，尚没有能精确实现故障诊断和定位的良好办法。 1 2 本课题的目的与意义 基于诊断控制的可控整流设备建模仿真技术研究就是通过对整流设备进行 建模仿真，模拟整流设备的故障，在研究不同种类的故障及其输出波形特点的 基础上，寻求一种能实现对整流设备故障诊断和准确定位的方法。通过分析整 流设备在不同触发角条件下谐波的变化情况及谐波总畸变率等参数变化，讨论 不同触发角条件对谐波变化的影响。上述研究一旦突破，将为实际工业应用场 合，特别是如城市轨道交通、直流电弧炉 1 电源等大功率整流设备的故障诊断 及相关控制提供新的技术解决方案，必将大大提高现有整流设备的可靠性，减 少整流设备带来的谐波污染，具有广阔的市场前景。 在研究可控整流电路故障诊断方法的同时，完成实际应用中计算机监测与 控制系统和跨平台( 跨l i n u x 和w i n d o w s 操作系统) 远程故障诊断系统的具体 实现，为将来的计算机故障诊断与监测控制系统的开发提供可重复使用的框架 代码和控件。整个具体应用围绕车辆涡流制动实验系统的计算机监测与控制系 统( 包括可控整流电路在线监测与故障诊断) 展开。 1 3 课题应解决的主要问题 ( 3 ) 搭建车辆涡流制动实验系统的计算机监测与控制平台，完成系统 中数据采集、故障诊断等的具体实现，实现本地集中控制的基于 虚拟仪器概念的计算机故障诊断与控制应用环境： 通过m a t l a b 中的p s b ( 电力系统模块) 和s i m u l i n k 仿真1 具对 整流装置进行建模，在建模基础上进行故障仿真，获取典型的故 障波形数据； 利用模式识别的方法实现对故障波形的特征提取，使能够根据提 取到的波形特征方便地实现故障的诊断和精确定位； 基于渗断控制的可拉链流设备建模仿真技术研究 ( 4 )分析双桥串联12 脉波整流装置顺序控制对谐波的影响，确定双桥 串联顺序控制的指导思想； ( 5 )m a t l a b ( s i m u l i n k ) 与应用程序接口( 与v i s u a l c + + 6 0 ) ，可 以将m a t l a b 的数据处理功能引入故障诊断等的数据处理中； ( 6 )实现基于网络的跨平台( l i n u x 和w i n d o w s ) 远程故障诊断系统的 程序设计框架和网络通信控件的封装。 1 。4 本论文的内容安排 本文以车辆涡流制动实验系统为讨论计算机故障诊断与控制的应用平台， 构建了具体的计算机监测与控制系统，实现了通过m a t l a b 对多脉波可控整 流电路故障诊断分析确定的基于模式识别的故障诊断方法，完成了基于本地集 中控制的车辆涡流制动实验系统的可控整流电路故障诊断与计算机监测与控 制，并给出了基于网络的跨平台远程故障诊断系统的实现框架。 各章节的具体安排如下： 第一章概述课题背景、目的、意义及工作内容； 第二章故障诊断技术概述，主要就系统中故障诊断的基本定义、故障 诊断的原理、诊断过程的实现、目前故障诊断的常用方法等进 行了论述： 第三章建立了车辆涡流制动实验系统的计算机故障监测、诊断与控制 平台，讨论了基于本地集中控制和虚拟仪器概念的计算机监测 与控制系统的具体实现。 第四章通过分析多脉波可控整流电路故障波形的特点，根据晶闸管导 通情况对故障进行了分类，实现了一种基于模式识别的多脉波 可控整流电路故障诊断方法； 第五章介绍了多脉波可控整流电路故障模型的m a t l a b ( s i m u l i n k ) 建 模仿真，分析了m a t l a b 与v i s u a l c + + 接口方法，给出了将 s i m u l i n k 同v i s u a lc + + 6 0 混合编程的实现细节及注意事项； 第六章双桥串联可控整流电路顺序控制，分析了不同触发角条件对谐 波的影响； 基f 诊断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 第七章讨论了基于网络的跨平台( l i n u x 和w i n d o w s 操作系统) 远程 故障诊断系统，并给出了w i n d o w s 端网络通信控件及l i n u x 端 网络通信c + + 框架类的实现。 参考文献： 1 马伟明，胡安，王令蓉，基于电压波形分析的十：相整流装置故障诊断， 电工技术学报，19 9 7 年第12 卷第6 期。 【2 马皓，徐德鸿，卞敬明，基于神经网络和频谱分析的电力电子故障在线诊 断，浙江大学学报，1 9 9 9 年1 1 月第33 卷第6 期 【3 】徐德洪，程肇基，范云其，诊断电力电子电路故障的新方法一沃尔什分析 法，电工技术学报，1 9 93 ，8 ( 1 ) ：3 3 3 5 。 【4 】程肇基，徐德洪，诊断电力电子电路故障的一种新方法基函数法，中国电 机工程学，19 8 9 ，9 ( 5 ) ：2 2 - 2 9 。 5 】艾永乐，王玉梅，基于神经网络的可控整流主电路故障诊断实现的研究， 焦作工学院学报，2 0 0 2 年9 月。 6 徐宗样，蒋新华，刘建成，小波变换在电力机车主整流器故障检测中的应 用研究，电力机车与城轨车辆，2 0 03 年第2 6 卷第2 期。 7 魏剑平，李华德，钱斌，直流电弧炉新型整流电源的研究，电子技术应 用，2 0 0 0 年第2 期。 8 顾书生，下万林，高同，十二相可控整流电路的研究与设计，控制与决 策，1 9 9 0 年 基于诊断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 2 1 引言 第二章故障诊断技术概述 故障诊断技术是一门应用型、多学科交叉的边缘学科，其基础是自动控制 理论、电子计算机理论与技术、近代数学，信号处理技术、可靠性理论、模式 识别、人工智能等相关学科。我们目前所说的故障诊断技术一般都是以软件冗 余( 或解析冗余) 为主的故障诊断技术，是上个世纪七 年代初期首先从美国 发展起来的。这项技术自诞生之后逐渐引起学术界的关注，并在近| 1 年来得到 b 速发展，目前已取得了许多应用成果。 促进故障诊断技术迅猛发展的一个主要动力是市场的迫切需求。随着计算 机科学的发展，人们所建造的自动化装置的规模越来越大，投资越来越高，现 在一套大型乙烯装置上就有成百上千的控制回路，整套装置的投资一般在数十 亿人民币以上。某些微小故障若不能及时排除，就有可能造成巨大的灾难。因 此，在这种情况下，系统的安全性就显得极其重要。提高系统可靠性和安全性 的方法很多，其中一个重要的方法就是采用故障诊断技术。 我国对故障诊断技术非常重视，清华大学自动化系从1 9 8 3 年起就已经开始 了这方面的研究工作。“信息与控制等刊物先后发表了这方面的文章。19 9 4 年，清华大学出版社出版了“控制系统的故障检测与诊断技术专著，从一个 侧面反映了我国在这一领域的研究状况。中国机械工程学会已经成立了故障诊 断专业委员会，并已定期召开机械行业的故障诊断全国性学术会议。 2 2 故障 2 2 1 故障的定义 故障，是指系统的运行处于不正常状态或称之为劣化状态，即系统或其中 的元部件丧失了规定的功能，从而使系统的功能低于规定的状态；或者说是组 成系统的元素或元素之间的联系处于异常状态，导致系统的功能不符合规定的 基于渗断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 要求”。与故障同意义的是失效”，失效”是针对不可修复系统而言，而 “故障”是对可修复系统而言。 系统故障是指在规定的条件之下与规定的使用期限之内，系统不能完成其 应该完成的功能；或者其中一个或若干个性能参数不能达到规定的指标；或者 组成系统的元素损坏；或著组成系统的元素之间的联系处于劣化状态。 2 2 2 故障的要素 故障四要素是：故障定义、故障判据、表现模式和发生机理。故障定义是 故障诊断的前提，而判据是故障分析的依据。确定故障判据的原则是：在规定 的条件之下与规定的使用期限之内，其系统功能，或可以接受的性能，或系统 元部件及元件问联系的性能是否符合规定的要求。故障模式是故障分析的基础 之一，是故障的表现形式。故障机理是故障发生的实质性的内在原因，诊断任 务之一就是要发现故障发生的机理，为找出防止措施提供技术上的依据。 2 2 3 故障的特点 故障多种多样，根据故障发生的部位，可以把故障划分为被控过程的元器 件故障、执行器故障、传感器故障，以及控制器的软件、硬件故障等。一般说 来，故障有以下特点： ( 1 ) 故障的输出行为，即诊断的实现只能建立在检测信息之上； ( 2 ) 故障发展的层次性； ( 3 ) 故障可能影响相邻元件即故障相关性； ( 4 ) 故障发生和发展的延时性，即故障有一定的发生和发展过程，有一 个量变到质变的过程； ( 5 ) 故障诊断与系统输入的相关性； ( 6 ) 故障判别的多样性； ( 7 ) 故障的不确定性； ( 8 ) 对故障认识的主观性； ( 9 ) 故障标准的客观性，即系统故障是否存在是客观的，并不依赖于人 对它的认识程度和施加其上的判别标准。 基于诊断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 2 3 故障诊断 2 3 1 故障诊断的定义 故障诊断就是在一定的检测策略指导下实施对被诊断系统的( 自动) 检 测，获取能表达被诊断系统故障模式的测量信息，经给定的计算方法提取出系 统的测量特征，然后从中提取出状态特征信息；在此基础上根据预定的推理原 则，针对特征信息作出综合评估，实施故障定位，分析故障机理，向系统的操 纵者或控制者( 人或自动控制系统) 提示该故障可能导致的后果和可能采取的 实施故障隔离的处理措施，同时处理和管理获取的有关信息口j 。 2 3 2 故障诊断的过程 故障诊断的过程由以下步骤组成： ( 1 ) 被诊断系统的测量信息，该信息集合能够充分表达系统的状态特 征； ( 2 ) 给定的计算方法如快速傅立叶变换，小波变换、时序信号识别等， 对原始信息集合进行变换，提取出测量特征； ( 3 ) 在测量特征信息集合中消去噪声，获得状态信息集合即故障特征； ( 4 ) 综合评估，即确定对象的状态性能、该状态可能的发展趋势与可能 导致的后果以及所要采取的处理措施，并指明故障所在( 故障定 位) 、故障机理与失效分析等； ( 5 ) 系统信息的处理与故障数据的管理( 数据仓库的建立、维护及管 理，学习所得的知识，远程诊断的技术支持等) 。 2 3 3 故障诊断的目的与任务 故障诊断系统的目的是：提高系统运行的可靠性与安全性；提高系统的运 用率及降低运用综合成本；便于运用和保养；优化运行管理。 基于硷断控制的可拄整流设备建模仿真技术研究 故障诊断的任务是：识别磨耗性故障和随机故障；将故障限制在发生故障 的单一功能或部件范围l 均；在故障情况下指示运行方式，包括提出保持功能措 施的建议；指示迅速排除故障的维修方式；自动化整备作业。 2 4 故障诊断研究中的若干问题 2 4 1 诊断机问题 大部分的被诊断对象都可归纳为如下的模型： ：y ( o = ， 冽，州 式中：刑为系统输出m 维向量，刑l ”( 输出空间) ：f 为一个映射； x ( o 为n 维状态向量，剐l ”( 系统的状态空间) ；u 似为系统激励输人是维 向量，u l 。( 输入空间) 。 诊断系统状态向量肖御的选择与系统状态向量的选择不一定相同。在系统 设计的时候，往往选择那些容易观测或检测的状态及反映系统运行特征的变量 作为系统的状态向量。而在诊断系统设计时，一般总是选择那些反映系统内部 特征，尤其是能表述系统内部子系统和部件工作状态的变量作为状态向量，希 望这些状态向量能充分表达和描述系统故障时的特征，以方便诊断功能的实 现。 系统状态向量x ( o 的故障特征只能在系统的采样信息1 0 ) = y f 移，u 例】巾获 取。设足是x o ) 所有的特征集合，q 是一个可数集合，s 是一个可数集合( 所有 的推理控制策略) ，6 ，、如是状态转移函数，b 是一个空白符号集合。所谓诊断 问题p 就是根据系统信息，确定s 的控制状态，由状态转移函数d ，实现由 砂 到r ，然后由如实现矗至q 的一个映射。映射的结果，可能是一个空白符。南 于诊断对象的时序关系和故障之间的耦合关系，推理的初始出发状态为叮m 终了 状态为弘诊断过程可归结为如下9 元有限诊断自动机问题： p = j ，r ，q ，6 ，s ，d ，b ，q o ，q f ) 其中d = d ，玉 。 基于诊断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 2 4 2 可诊断问题 目前报道的诊断成果都是建立在故障可诊断的假设基础上的，然后这个假 设从未得到确认。实际上，若依据一定的系统信息，并非所有的故障都是可诊 断的。 个系统在给定的输出条件下，系统内部某些部件的故障并不一定影响系 统的输出，而系统诊断功能的完成是在系统输入输出信息的基础上，根据信息 变化的异常特征来实现的。如系统中某些用来改善系统动态特性的元部件故障 时，在一定条件下并不( 或几乎不) 影响系统的输出或功能；系统中某些元件 是用来改善电磁兼容性的，如保护二极管、限流电阻等的故障，并不一定导致 电路的故障；在门电路中，电阻值变化3 0 仍然不影响门电路的功能；有些元 部件只有在使用时才能发现其是否故障，如系统中的报警装置，又如列车上的 手动应急制动器，它们不在被监控范围，在未使用时其故障也是不可被发现 的。因此存在一个可诊断故障与不可诊断故障问题。 系统的状态能够在系统中反映出来，则系统是输出能观测到的，也就是系 统的输出中含有系统状态的特征，即系统相应的状态能诊断；但有些系统状态 能诊断并非能观测。系统状态的能诊断性反映了系统的可利用信息集合i ( o = 【y ，u ( o 】与相应的状态特征集合r 之间的相关程度，即1 ( 0 = 【y m ，u 例】对r 的表征能力。 2 4 3 故障状态的可分离性问题 并非所有能诊断的故障状态和它代表的故障在诊断推理中能被识别出来， 这在工程技术领域的故障诊断中常有的现象。所谓故障状态的可分离问题，实 际上就是故障诊断的深度问题，也可以说是诊断的正确性问题，即在系统状态 可诊断的条件下，诊断推理算法是否能够识别出系统的状态特征，从而进一步 确认系统的状态、类型，发生故障的部位甚至包括故障发生的机理等。 故障可分离性问题包括： ( 1 ) 对于给定的系统，若存在特定的几类故障，而且它们都可能发生， 甚至它们的故障测量特征也几乎相同，设定的诊断推理策略是否有 足够的能力分离故障； 基于诊断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 ( 2 ) 系统存在大量的过程噪声，测量时是难以甚至是无法滤取的，即系 统的特征被淹没在噪声之中，诊断推理策略是否有足够的能力能够 将提取系统状态的特征以识别和确认系统状态的性能。 诊断中的可分离性是客观存在的，而并非由主观决定的。若对于一个对象 系统，其状态是故障可诊断且可分离，但是诊断推理的结果却为空白符，这只 能说明所采用的推理算法和过程错误，或者说主观上对对象的认识有错误或认 识不够准确。 2 5 自动控制系统的故障检测与诊断技术 2 5 1 故障检测与诊断原理 一般控制系统的故障检测与诊断原理如图2 - 1 所示，其中故障诊断主要包 括信号采集、信号处理、故障原因识别和诊断决策四个过程。 图2 - 1 故障检测与诊断的过程 基于诊断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 2 5 2 故障检测与诊断技术的基本内容 故障检测：及时发现系统发生故障并报警。提高故障的正常检测率、降低 故障的漏报率与误报率，一直是故障检测与诊断领域的前沿课题。 故障分离：根据检测到的故障信息，寻找故障源，确定故障类型及大小。 故障评价：对故障对于系统性能指标、功能的影响等作出判断和估计，给 出故障等级。 故障决策：根据故障检测的信息及故障评价的等级决定是否采取措施，以 防止故障的扩大和预防灾难性事件的发生。 2 5 3 系统故障检测与诊断技术的主要方法2 1 1 3 1 1 4 i 【5 l i 6 1 1 7 8 i 系统故障检测与诊断技术的各种方法可分为两大类，即基于系统动态模型 的方法和不依赖于动态模型的方法。 2 5 3 。l 基于系统动态模型的方法 系统的执行器、传感器和被控过程可以由动态模型来描述。那么基于其动 态模型就有可能对其故障进行检测与诊断。诊断的思路是利用观测器或滤波器 对系统的状态或参数进行重构，并构成残差序列，然后采用一些措施来增强残 差序列中所包含的故障信息，抑制模型误差等非故障信息，通过对残差序列的 统计分析就可以检测出故障的发生并进行故障的诊断。 基于动态模型的方法又分为线性系统的故障检测与诊断方法和非线性系统 的故障检测与诊断方法两大类。由于人们对线性系统的深刻认识，因此已经提 出了许多成熟的关于线性系统的故障检测与诊断方法。关于非线性系统的研究 相对来说就比较薄弱。 2 5 3 2 不依赖于动态模型的方法 由于系统的复杂性，使得许多系统的建模是非常困难的，或不完善的，或 不精确的。因此，基于动态模型的方法在这里就不太适用。许多不依赖于系统 动态模型的方法也就应运而生。主要有： ( 1 ) 直接测量系统的输出输入 基于渗断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 厂 蔓：至j 【二 li 阴博伺 二玉叠二土赢果 基于诊断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 始的。通过不断提问“为什么会出现这种现象? ”而逐级构造成一棵倒立的故 障树。通过对此故障树的启发式搜索会查到故障的最终原因。在提问过程中有 效合理地使用系统的实时动态数据将有助于诊断过程的进行。 目前这种方法的新发展是由计算机自动或辅助生成故障树，并自动生成故 障树的搜索过程，这对大型复杂系统是十分必要的。 ( 5 ) 基于模式识别的诊断方法 这种故障诊断方法的步骤是： 故障模式向量的形成，也即选择出能表达系统故障状态的向量集。 特征向量的提取。由于故障模式向量中各参数的重要性不同，它们也不 一定相互独立，因此从中选择出对故障状态最敏感的特征参数，构成特 征向量集，也即构成了故障的基准模式集。 判别函数的形成。它是由特征向量以一定的方式构成的，用于识别系统 目前状态属于哪一个基准模式，也即系统属于哪种故障状态。 采用这种方法的前提是必须具有大量的有关故障的先验知识，对新颖故障 此方法则无能为力。因此必须通过自学习增加基准模式集。 ( 6 ) 基于模糊数学的诊断方法 诸如化学、生化等生产过程的某些状态是不分明的、不确定的。因此可用 模糊集来描述。随之某些故障状态也是模糊的。诊断这类故障的一个有效方法 是采用模糊聚类分析。将模糊集划分成不同的水平的子集，借此判别故障最可 能属于的子集。另一个有效的方法是首先建立故障集的模糊向量s ，同时建立 当前故障的模糊向量d 。这两个模糊向量是通过一个模糊关系阵r 由模糊方程 s = r o d 联系起来的。现已知s 和r ，则通过此模糊方程的反解即可得到故障原 因d 。 ( 7 ) 基于人工神经元网络的诊断方法 人工神经元网络由于具有大规模并行处理、自适应学习能力和分布式信息 存储的特点受到了控制界的高度重视。尤其是上世纪八十年中期以来国际上掀 起了研究神经元网络的热潮。当然由于神经元网络硬件实现上的困难，当前神 经元网络的应用主要还是集中在原理上。然而可以预见，今后随着神经元网络 基于诊断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 硬件的普及，将会有越来越多的实际工业过程控制采用基于神经元网络的故障 诊断方法。 神经元网络应用于系统的故障检测的一种方法是： 1 ) 选择能够反映系统的动态特性、建模误差和干扰影响性的变量作为神 经元网络的输入变量，并人为规定网络的输出变量值。 2 ) 选择适当类型的神经元网络。 3 ) 根据所选择的输入输出信号的历史数据，使得神经元网络进行自学 习，确定有关的权值及阈值。 4 ) 将新的反映控制系统动态特性的输入信号作用于神经元网络，网络的 输出值超出所给定的阈值时，可认为系统已发生故障。 由于神经元网络具有联想记忆和自学习能力，因此当出现新颖故障时，它 可以通过自学习，不断调整权值和阈值，以提高检测率，降低误报率和漏报 率。因此神经元网络方法有可能应用于系统的在线故障检测。 2 6 小结 本章就故障及故障诊断的定义与特性进行了讨论，介绍了故障诊断过程中 故障的可诊断与可分离等问题，并介绍了控制系统故障监测与故障诊断的一些 常用方法及各种方法的特点。 参考文献 1 1 郭其一，南开大学博士研究生毕业( 学位) 论文，1 9 9 9 年5 月。 2 】周东华，孙优贤，控制系统的故障检测与诊断技术，北京清华大学出版 社，1 9 9 4 年9 月。 3 1 杨叔子等，基于知识的诊断推理，北京：清华大学出版社，1 9 93 年1 2 月。 【4 郭其一等，故障诊断中的检测控制策略问题，信息与控制，2 0 0 0 年6 月 5 】李家界，方帅，石维苹，控制系统的故障诊断方法，沈阳建筑工程学院学 报，2 0 0 1 年1 月，第17 卷第1 期。 基于诊断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 6 】李尔国，俞金寿，故障检测与诊断方法综述，世界仪表与自动化，2 0 0 1 年 2 月。 【7 徐玉秀等，基于专家系统与神经网络集成的故障诊断的应用研究，振动与 冲击，2 0 0 1 年，第20 卷第1 期：4 1 4 3 。 【8 郭其，高速列车故障诊断系统的结构及可靠性研究，上海铁道学院学 报，19 9 4 年6 月，第15 卷第2 期。 9 严升云，微机在国产电力机车上的应用，机车电传动，19 9 8 年5 6 期。 10 】周东华，王桂增，故障诊断技术，化工自动化与仪表，1 9 9 8 ，25 ( 1 ) ： 3 1 3 3 。 1 1 】张定会，戴曙光，多级故障诊断系统，自动化仪表，2 0 0 1 ，22 ( 2 ) ：1 4 16 。 【12 】杨武等，高压开关柜在线监测和故障诊断，电工技术杂志，2 0 0 1 年第3 期 2 0 2 5 。 13 】张定会，戴曙光，混合故障诊断专家系统，模式识别与人工智能，2 0 0 0 年 9 月，第13 卷第3 期：2 7 6 2 7 9 。 1 4 戴小文等，小波变换在摆式列车倾摆系统故障诊断系统中的应用，西南交 通大学学报，2 0 0 0 年12 月，第3 5 卷第6 期：6 5 1 6 5 5 。 15 d a r w i c h e ，a ，m o d e l b a s e dd i a g n o s i su n d e rr e a l - w o r l dc o n s t r a i n t s a im a g a z i n e 2 1 ( 2 ) s u m m e r2 0 0 0 ，p 5 7 - 7 3 。 基于诊断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 第三章车辆涡流制动实验系统 一一故障诊断控制系统实例 3 1 故障诊断控制系统 一个典型的故障诊断控制系统( 通常也是一个计算机监测与控制系统) 般由数据采集于系统、实时控制决策子系统( 包括故障诊断规则) 和实时控制 输出子系统组成，同时还可以包括数据信息存储( 数据库) 以及离线数据分析 子系统。其中，实时数据采集对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测 和输入，而这些数据信息正是故障诊断和控制的基础；实时控制决策是对采集 到的被控量进行分析和处理( 包含故障诊断过程) ，并按照己定的控制规律决 定将要采取的控制行为；实时控制输出则是根据控制决策，实时地对执行机构 发出控制信号，完成实际的控制工作。 3 1 1 数据采集与控制输出 数据采集子系统是实现故障诊断系统的前提条件，要进行故障诊断分析及 确定必要的控制策略，首先需要获取足够的信息，而这些信息的收集工作主要 由数据采集子系统来完成。 一个典型的数据采集子系统通常由变遂器、执行器、信号调理、数据采集 硬件以及计算机软件等组成。 ( 1 ) 变送器及执行器 变送器能够将温度、压力、长度、位置等物理信号转换成电压、电流、频 率、脉冲或其它信号。执行器是一种通过使用风压，水压或电力，来执行过程 控制的设备。比如：调节阀通过打开和关闭阀门来控制流体的速度。 ( 2 ) 信号调理 变送器产生的信号通过p c 数据采集硬件转换成数字信号之前，应该采用 信号调理电路来改善信号的质量。例如信号的定标、放大、线性化冷端补偿、 滤波、衰减、激励、共模抑制等等。 基于渗断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 ( 3 ) 数据采集控制硬件 数据采集控制硬件一般完成以下一个或几个功能：模拟量输入、模拟量输 出、数字量输入、数字量输出以及计数定时功能。 ( 4 ) 计算机软件 数据采集的具体功能一般通过计算机软件控制具体硬件来实现，计算机软 件是整个系统正常运作的关键要素之一。 控制输出子系统则通常由模拟量输出、数字量输出硬件和执行机构组成。 3 1 2 故障诊断方法 故障诊断方法是整个故障诊断系统的中心，其核心内容就是根据数据采集 所获取的信息以及当前控制系统故障的特点，运用一定的方法提取和分析故障 的特征信息，进而实现故障的在线识别和精确定位。不同的故障诊断系统其最 大差异主要集中在故障诊断方法的多样性上，丽数据采集子系统、控制输出子 系统的基本原理可能大体相同。 3 2 车辆涡流制动实验系统 由于故障诊断方法与特定的诊断对象息息相关，要建立对可控整流电路故 障诊断的应用分析，首先要有一个特定的控制对象。车辆涡流制动实验系统的 车载电源模拟系统包括一个十二脉波相控整流设备，是可控整流电路故障诊断 分析的对象，并且其数据采集子系统及控制输出子系统的实现具有一定的通用 性，因此本章以国家8 6 3 专项中“车辆涡流制动实验系统”的计算机监测与控 制来说明故障诊断系统中数据采集与控制输出的具体实现，可控整流电路故障 诊断方法将放在下一章进行讨论。 3 2 1 控制系统架构 计算机控制系统所采用的架构与它所控制生产过程的复杂程度密切相关， 不同的被控对象和不同的要求，应该有不同的控制方案。目前比较常见的有集 中控制系统，分布式控制系统和现场总线控制系统。由于车辆涡流制动实验的 任务比较专一，同时具有高实时性等特点，此处采用本地集中控制系统架构， 1 ，- 基于渗断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 所有的数据采集、处理分析、控制输出等任务都由本地的工业控制计算机完 成。适应网络环境下更为通用的分布式控制系统将在第七章进行讨论。 3 2 2 系统组成 车辆涡流制动实验系统以轨道轮和惯性轮的转动惯量模拟实际车辆直线运 动的动能，以旋转的轨道轮和扇形结构中电磁铁之间的相互作用模拟实际状况 下钢轨与线性涡流电磁铁的相对运动关系，并辅助以相应的测量和控制手段， 因此整个实验系统包括如下几个子系统： ( 1 )模拟制动能量子系统，包括轨道轮、惯性轮、主轴、轴承、皮 带轮等； ( 2 )模拟电磁铁与钢轨之间作用子系统，包括电磁铁和气隙调整机 构及扇形支架； ( 3 ) 测控子系统，包括拉压力传感器、速度传感器、电压、电流传 感器、信号调理电路、研华数据采集卡( p c i 一1 7 13 、p c i l72 0 、p c l - 73 0 ) 、工控机以及车载电源模拟系统( 包括一个十 二脉波相控整流电路) 等。 此外，还包括将轨道轮和惯性轮带到指定速度的动力装置，包括电动机及 传动机构等。 3 2 3 系统工作原理1 整个实验系统如图3 - 1 所示，通过两组拉压力传感器测出沿轨道轮切线方 向的涡流制动力和垂直于轨道轮轮面方向上的电磁吸引力。此两组传感器输出 的0 2 0 m y 电压信号经电压电流变换成4 2 0 m a 电流信号，再经过屏蔽电缆 送至信息检测控制箱。在控制箱中，电流信号被转换为。一5 v 的电压信号，经 过信号滤波送至研华工控机内部的模拟量输入数据采集卡p c i - 1 7 1 3 。转速方面 用速度编码器产生频率信号，经f v 转换成电压信号后送入信息检测控制箱处 理，处理后送至p c i 一1 7 1 3 。实验控制则是由工控机发出控制用的模拟量信号 ( 通过p c i 一1 7 2 0 卡产生) 和数字量信号( 通过p c l 一7 3 0 卡产生) ，经光电隔离 后，对车载电源模拟系统实施控制。此外，还有一路电压测量设备测量十二脉 基于诊断控制的可控墼流设备建模仿真技术研究 波相控整流主电路的输出电压，以这一路信号作为可控整流电路故障监测与诊 断的原始信息来源。 黎袭h 涡留实 年载电源模拟系统 相控整流电路 压力传感器( 4 a ) 拉力传感器( 1 0 个) 转速编码器 电流传感器( 4 个) 相控整流主电路电压 测量模块 信号调理 电路 f v 信号 采集 与处 理控 制箱 控制信息 图3 1 车辆涡流制动实验系统结构图 3 3 基于虚拟仪器概念的计算机监测与控制系统 3 3 1 虚拟仪器刚3 h 4 1 1 5 1 1 6 i 研 坐 工 控 机 所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户 操作计算机的同时就是在使用一台智能电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心， 充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显 示功能。 虚拟仪器由硬件系统和软件系统构成。硬件系统一般可分为计算机硬件平 台和接口硬件，一种常用的硬件接口方式就是利用d a q 数据采集接口将信号 数据采集后送人计算机，而各种复杂的测试功能、数据的分析、数据存储和结 果显示则完全由计算机软件实现。d a q 数据采集卡指的是基于计算机标准总线 ( 如i s a 、p c i 、p c 1 0 4 等) 的内置功能插卡，它更加充分地利用计算机的资 源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用功能强大的d a q 数据采集 卡，可方便快速地组建虚拟仪器，实现“一机多型”和“一机多用”。虚拟仪 器软件系统则主要由设备驱动程序和应用软件组成。设备驱动程序是应用程序 实现仪器控制的桥梁，通常设备厂商将其以动态链接库的方式提供给用户，用 户在应用程序种调用设备驱动程序。应用软件则建立在设备驱动程序之上，直 基于渗断控制的可控整流设备建模仿真技术研究 接面对操作用户，通过提供直观、友好的操作界面，丰富的数据分析与处理功 能，来完成自动测试任务。应用软件还可能包括通用数字信号处理软件，比如 可用于频域分析的功率谱估计、f f t 、时域分析的相关分析、卷积运算和数字 滤波等，这些应用大大扩展了虚拟仪器的功能。通过软件系统的设计，用户可 以方便地定制自己的专用仪器。 随着a d 转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅 速发展，d a q 数据采集卡的采样频率已达到1 g b s ，精度高达2 4 位，通道数高 达6 4 个，并能任意结合数字i o 、模拟i o 、计数器定时器等通道，因此，基 于d a q 数据采集卡的虚拟仪器既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需 求的多样性，因此具有很高的性价比。 对于车辆涡流制动实验系统的计算机监测与控制，我们以v i s u a lc + + 6 0 为 集成开发环境，充分利用其提供的强大的图形界面功能，结合虚拟仪器的概 念，采用研华公司的p c i - 1 7 1 3 ，p c i 1 7 2 0 和p c l - 7 3 0 三块数据采集卡和 w i n d o w s 多媒体定时器来实现高精度实时测控系统。 3 3 2 基于研华数据采集卡的计算机测控系统 3 3 2 1 研华数据采集卡简介 a d 转换卡采用研华公司的p c i 1 7 1 3 ，此卡具有一个工业标准的1 2 位a d 转换器，提供3 2 路隔离电压达2 5 0 0 v d c 的数据采集通道，最大采样频率可达 1 0 0 k h z 并提供4 k 的f i f o 缓冲区，a d 转换支持3 种触发方式：软件触发、可 编程计数器触发和外部脉冲触发。模拟信号输入有两种方式：3 2 路单端输入和 1 6 路双端输入。输入范围有：双极型+ ，- 1 0 v 、+ - 5 v 、+ ，一2 5 v 、+ ，一12 5 v 、+ 卜 o 6 2 5 v ；单极型0 - 1 0 v 、0 - 5 v 、0 - 2 5 v 、0 1 2 5 v 。p c i 1 7 1 3 为p c i 总线型板 ，即插即用，自动( 亦可手动) 设置基地址和i r q 。 d a 转换卡采用研华公司的p c i 1 7 2 0 ，此卡提供4 通道的隔离模拟信号输 出，有多种输出范围：电压0 - 5 v 、0 - 1 0 v ，+ - 5 v 、+ - 1 0 v 和0 - 2 0 m a 、4 - 2 0 m a 电流环。p c i 1 7 2 0 为p c i 总线型板卡，自动( 亦可手动) 设