（动力机械及工程专业论文）汽轮机数字电液控制系统故障诊断的研究.pdf

摘要 计算机技术的迅猛发展，真接推动了电力技术的进步。现代汽轮发电机组的功率与频率调节由 以计算机为核心集调节、保护、监测和顺序控制为一体的数字电液控制系统来完成彻底摆脱了 长期来机械液压调节保护系统可靠性羞、调节精度低、稳定性不好的落后局面，提高了功率、频率 的调节品质，实现了机组协调、优化运行复杂控制算法，增强了超速等保护的安全可靠性。然而， 电液控制系统的故障不可避免，如油系统导致的伺服阀故障等；另一方面国内发电厂因技术准备 不足以及缺乏必要的检测设备，系统出现故障时，运行维护人员不能及时判断并解决故障。所以， 研究汽轮机电液控制系统的故障诊断显得尤为必要且有很高的工程实用价值。 故障诊断包括静态故障分析和动态故障诊断两部分内容。前者主要通过对系统故障的完整分析， 给出故障处理的意见，使解决故障有据可循。后者则主要着眼于故障的在线诊断和定位。两部分是 相辅相成的。目标是要能快速的判断故障并及时正确的解决故障。 论文应用故障树以及故障模式和影响分析法对整个汽轮机电液控制系统做了详尽的静态故障分 析。同时，在分析基础上，对主要故障系统，抗燃油系统给出了相应的运行维护建议。这对于防止 故障的发生有着实际意义。 人工神经网络对于本质j # 线性动态系统有着高度的适用性。论文基于神经网络方法，寻求一种 方便的、可靠的动态故障诊断技术。其实质是一个基于神经网络的动态系统辨识问题。论文力图在 诊断方法上为后续实用系统的开发做一探讨。 论文主要分为三个部分，对电液控制系统的静态故障分析和动态故障诊断方法做了详尽的介绍。 第一部分主要对选题背景，相关领域国内外研究状况做了概要的叙述。第二部分讨论系统静态分析 包括第二、三章，对电液控制系统做了整体故障分析，同时对油系统的故障成因及运行维护做了详 细讨论。最后一个部分主要探讨神经网络在动态故障诊断中的应用。该部分介绍了如何在动态系统 辨识中应用神经网络，并建立了位置伺服系统的仿真模型和相应的动态神经网络模型。论文最后以 伺服阀为例应用该网络模型实施故障诊断，给出了三种典型故障的诊断结果。 关键词：汽轮机数字电液控制系统故障诊断故障树故障模式和影响分析法神经网络伺 服阀 一 壅噩盔堂亟主堂焦堡_ 文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t et e c h n o l o g y ，t h ep o w e ra n d f r e q u e n c ya d j u s t i n go f m o d e r ns t e a mt u r b i n eu n i ta r ef u l f i l l e db yd i g i te l e c t r o - h y d r a u l i c ( d e h ) c o n t r o ls y s t e m i nt h ed e hs y s t e m ，t h ef u n c t i o n so fa d j u s t i n g ，p r o t e c t i o n i n s p e c t i o na n ds e q u e n t i a lc o n t r o l a r eb u i i ti n ，w h i c hi m p r o v et h eq u a l i t yo fa d j u s t i n g r e a l i z et h ec o m p l e xc o n t r o la l g o r i t h m a n ds t r e n g t h e nt h es y s t e ms e c u r i t y ，e g t h eo v e r s p e e dp r o t e c t i o n h o w e v e r o nt h eo n e h a n d ，t h es y s t e mf a u l t s ，s u c ha st h ef a u l to fe l e c t r o - h y d r a n l i cs e r v o v a l v ei n d u c e db yo i l s y s t e m ，c a nn o tb ea v o i d e d o nt h eo t h e rh a n d w h e nf a n l t so c c u r s 。o p e r a t o r sa n dm a i n t a i n m e nc a nn o te s t i m a t et h ef a u l ta n ds o l v ei t i nt i m es i n c et h e yh a v e1 i t t l ek n o w l e d g eo f t e c h n o l o g ya n da r es h o r to fe s s e n t i a le q u i p m e n t s t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t e t h ef a u l td i a g n o s i so fd e hc o n t r o ls y s t e ma n dt h i sw o r ka l s oh a v ev e r yh i g hp r a c t i c a lv a l u e o fe n g i n e e r i n g t h ec o n t e n t so ff a u l td i a g n o s i si n c l u d eb o t ho ft h ef o l l o w i n gt w os i d e s ：s t a t i ca n a l y s i s a n dd y n a m i cd i a g n o s i s t h ef i r s to n eg i v e st h ei d e ao nh o wt od e a lw i t ht h ef a u l t sb yd o i n g c o m p l e t ea n a l y s i so fp o t e n t i a ls y s t e mf a u l t si na d v a n c e t h eo t h e ri sm a i n l yw i t ht h ev i e w o fo n 一1 i n ed i a g n o s i sa n ds h o w sh o wt od e t e c tt h ef a u l t s b o t ho ft w os i d e ss u p p l e m e n te a c h o t h e ra n dm a k es u r et h es y s t e mf a u l t sc a nb ef o u n da n ds o l v e di nt i m e i nt h i st h e s i s ，af u l ls t a t i ca n a l y s i so fd e hc o n t r o ls y s t e mi sg i v e n 。u s i n gf a u l tt r e e a n a l y s i s ( f t a ) a n df a i l u r e l o d ee f f e c t sa n dc r i t i c a l i t ya n a l y s i s ( f 脏c a ) b a s e do i lt h e r e s u l t so fa n a l y s i s ，t h e s i sa l s og i v e st h es u g g e s t i o nf r o mt h ep o i n to fo p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c eo no i ls y s t e m a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) i sv e r ys u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o no fn o n l i n e a rd y n a m i c s y s t e m s ot h et h e s i sw i l ll o o kf o rac o n v e n i e n ta n dr e l i a b l em e t h o df o rt h ed y n a m i cf a u l t d i a g n o s i s ，i nf a c t t h i si sad y n a m i cs y s t e mi d e n t i f i c a t i o np r o b l e mb a s e do nt h en e u r a l n e t w o r k t h et h e s i sa l s ow a n t st og i v ead i r e c t i o no nd i a g n o s i sm e t h o df o rt h es u b s e q u e n t s y s t e me x t e n s i o n i nt h et h e s i s t h e r ea r ed e t a i le x p l a n a t i o n sf o rt h ef a u l td i a g n o s i so fd e h t h et h e s i s c o n s i s t so ft h r e ep a r t s t h ef i r s tp a r tm a k e ss u m m a r ys t a t e m e n ta b o u tb a c k g r o u n da n d i n v e s t i g a t i o ns t a t u so nr e l a t e dr e s e a r c hf i e l d t h es e c o n dp a r ti sm a d eo ft h ec h a p t e rt w o a n dc h a p t e rt h r e ew h i c hg i v e st h es t a t i cf a u l t sa n a l y s i so fd e hs y s t e m i n c l u d i n gt h e d i s c u s s i o no fo i ls y s t e m i nt h et h i r dp a r t ，t h e r ea r ee l a b o r a t ei l l u s t r a t i o n so fh o wt o u s en e u r a ln e t w o r ki nd y n a m i cf a u l t sd i a g n o s i s t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dn e u r a ln e t w o r k i d e n t i f i c a t i o nm o d e lo fp o s i t i o ns e r v es y s t e ma r eb u i i t a tl a s t ，t a k i n gt h ee l e c t r i c a l h y d r a u l i cs e r v ov a l v ea se x a m p l e ，t h ep a p e rg i v e sd i a g n o s i sr e s u l t so ft h r e et y p i c a lf a u l t s k e y w o r d s ：s t e a mt u r b i n e ，d e h 。f a u l td i a g n o s i s ，f r a ，f m e c a ，n e u r a ln e t w o r k s e r v o v a l v e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 汽轮机谢节保护系统是确傈汽轮发电机组安全、稳定遥行的控制中枢。机绒正常运行时自动调 节汽轮发电桃缀的功率瓤转速保证机缀鹣发电功率稿发电晶矮；枫缎斑现紧急教障时，快速切颧 主蒸汽供给，游止事故扩大，僚诞辊蕴驹运行安全。萃鞔窖薰的增夫，汽轮发壤梳组转予惯性质量 的相对减小，供电品质接求的提高，对调节系统晌成扰动的靛德性和控制精度提出了更高的要求。 传统的机械渡压调节保护系统，驱动调节汽门开度的油动机数蟹的增多积驱动力的提离，增大了液 嚣控黼涵簿翡复杂 生鞠液匿控制信号静传输壤往，桃棱液莲靛藿霆旁豹旷动闯豫帮配合阉禳，； 入 了多个不稳定因素，调节品质和豫定可靠性鞍差，成为制约国产大型汽轮发电帆组安全称定运行的 重要阂素。改进传统汽轮机调节像护系统性能的关键在于提熟信号检测的灵敏性和消除偿号传输的 滞瑶与箍羞，鑫魏，褥窀予溯董帮攘裁与滚压錾动豹集癌岛整台，缀或汽轮撬电渡 ( e l e c t r o - h y d r a u li c 简称e h ) 调节系统，发挥电予技术传感灵敏和信母传输无惯性偏藏、液压驱 动装援惯性小和动力大的备自优势，测量、信号传输和控制幽电子线路米实现，调节汽门开度由液 莲装薰驱魂。谵冀撬技零鹊瘦羽，壶数字旗号楚毽耱弋复杂瓣汽轮撬控剿毫子线路，形威了囊汽轮 发电机组运行强测、顺序控制、运行调节和保护为一体的汽轮机数警式电液控制系统( d i g i t a l e l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o l ，简称d e h - c ) 。为提离电液控带4 系统的是敏性和增大液压驱动装置的 驱动力，汽轮壤数字式瞧渡控刳鬟统麴渡援控到固黪较簧遣琏采用较舞浆裁力池压( 大子l o & p a ) 。 因汽轮机控制系统特殊的工作环境，电被控制系统逸厢疆壤穗能较高羽抗燃液压浦。 汽轮机数字电液控带4 技术的目臻成熟，我国上馓纪九十年代中后期新建的3 0 0 w ；i 上汽轮发电 搬缀，均装备了基于裹糕抗燃滴的数字电渡控制系缝。近年寒+ 在国产2 0 0 w 、1 2 5 黜等机组辆一 轮璃代纯改造串，汽轮税调节系统静数字枕电液控辅作势一个主要项掰寝广迂采纳。蕊h 焉统静采 用，率富了大搿机组的控制和保护功能，搬高了控制品质和自动化水平，保证了帆组的安企可靠性 。然箍，数字电波控制繁绕运行姆维护技术的普及明显滞屠，困电渡控制系统的专业知识强求较离 ，翩上国内电液控制系缱积豢的逡行经验不多，发电厂不多遴考亍，维嵇入虽靖箕暴绕维捅、工律簸 理等了解不深，在系统出现异常域发生截障时。现场人员处璎故障时带有根大的盲目性，不能迅速 查明原因并及时处理，慕本上每次都要请求制造厂暇人协助解决t 不仅支付了疑颧的技术服务费， 荠藏延长了箨辊羁专蠲，减少菱毫薰造痰蔓天匏经济攒失。不争发毫厂溅对挠惩淫鹣淮矮缺乏畜簸管 理，敷使电渡伺服婀绷繁出现故障。造成电；瘦控制繇统的维修费用远邀高于传统的机微波压调节系 统。 汽轮撬数字毫渡控籀系绕豢采饶囊控剿麓囊拣湖露，也捷久靛港稼缝莰 裂t 诗冀竣技寒秘残 用，并没有增强电梭控制系统对敌障的免疫力；相威地，褴雁控制回路采用高静动力油压，液压控 制部件的动、静间隙变小，对液愿油污染的敏感性提高要求运行和维护人员对电液控制系统更加 壤心疆护。 综观目前潮内汽轮机电液控制系统工襁应用中存在的闯麓，主要根源在于对电液控制系统，特 g u 是抗燃油和电液伺服阀的特性掌握不耪，缺乏科举、有效的检测手段和管理技术规范。困此解 决阏惩的蓠要锤势是广泛营及电渡控铡系绕魏基础知识秘运撑、维护技术，特剐是饕及嚣， 汽轮毫陡 电液箍涮系绕运行与雅护的成功经验；其次针对国肉汽轮祝数字电涟控制系统备稚分组成与功能， 建立一套完整的故障影响分析和故障诊断技术文本鞠知识库。对高压抗燃油系统、电液伺服机构、 电予测量系统建立辩学鳃运行与维修搜术规范，为维修人员提供技术参考；及鞋避硬究、歼发汽轮 机数字电渡筏稍系统在绫故障诊黼与维锋管瑾系统，在毁餐潞数字窀液控割系统鹩健藤蔽杰帮预铡 健康发展趋辨；最后研究、开发汽轮机数字式电液控制系统性能测试装置，用干电液控制系统的 维修。这些是本文工作盼基本出疑点。 1 2 国内外研究现状 数字电渡控制系统( d 隧- c 燕髂照诤冀撬技术发展应运箍燕熬，它蛙l 现于上世纪，专年代，美 国通用电气和嚣屋、舀本三菱、瑞士a b b 、法萄弼尔精通等爱辨著名动力设备翻造公司都磺涮、开 发了备自的数字电被控制系统。困补各个公司生产的d e f t 系统熙然各自油路系统不尽相同，但电液 饲服浸和快速卸载阑等生要郏 牛鏊本大嘲小异。国蠹，薪华电站控制霄限工程公司s l 避荧匿西屋 ( w e s t i n g h o u s e ) 公司3 0 铡目祝缝技术，鬻蠡孪氇 | 遗了该公司黼珏垂数字电渡撩翩系统技求，舞覆 l 东南大学硕士学位论文 其基础上开发生产了d e hi i l 型数字电液控制系统。对于这些大容量机组d e h 控制系统在我国火力发 电中的应用情况及存在问题文献“。对此进行了分析并提出了解决这些问题的建议。 本文将要从事的是电液控制系统的故障诊断工作。这一课题涵盖了多方面的内容。主要包括 d 阻控制系统相关子系统的建模与仿真以及采用何种手段来对系统的故障进行诊断。此外，从故障 分析及防治角度，论文也将对抗燃油系统进行论述。因此在论文展开详细的叙述之前，有必要对 所涉及领域的研究状况做一个简要的回顾。 1 2 1 控制系统仿真研究 计算机仿真技术是以计算机为工具，以相似原理、信息技术以及各种相关领域技术为基础。根 据系统试验目的，建立系统模型，井在不同的条件下，对模型进行动态运行试验的- - i i 综合性技术 。仿真技术是近二十年发展起来的一门新兴技术学科。特别是近十年来计算机技术的快速发展，应 用数字计算机对实际系统进行仿真己日益受到人们的重视其应用领域也越来越广泛。当前，计算 机仿真已经成为系统特别是复杂大系统分析、研究、测试、评估、研制和技能训练的重要手段，并 广泛用于国防、制造、交通、医疗、教育、经济、天气等各个行业。同时，仿真技术的不断发展也 为其在电站设备中的应用展现了广阔的前景。 在国外计算机仿真技术应用于电站设各的研究始于5 0 年代，而对于电液控制系统的仿真研 究是近年来随着该系统的出现而逐渐发展起来的。文献给出了电液控制系统执行机构核心部件电 液伺服阀的完整的非线性动态模型，其中对喷嘴一挡板组件的建模有详细介绍。国内，计算机仿真 技术应用于电站设备的研究起步较晚，直到7 0 年代末，才开始有较快发展a 近年来- 国内一些科 研单位，特别是华中科技大学。对电液控制系统的仿真研究取得了一大批科研成果：文献对引进 型3 0 0 胂机组数字电液控制系统进行了动态特性的仿真研究。该文着重研究d e h j 空制系统基本运行方 式( 串级系统) 的动态特性就功率给定切除问题、限幅问题、中间再热容积、速度变动率和调节 参数f | 勺影响等l - i 题提出了自己的研究结果。文献”1 则对特殊工况下的3 0 0 唧机组电液控制系统的动 态特性进行了研究，这对前文是一个有力的补充。文献“1 讨论了3 0 删孵机组电液控制系统整定参数 的最优化问题。该文运用最优化原理研究控制系统调节偏差的目标函数为最小的最优控制问题，并 提出了相应的最佳整定参数。文献”1 从电液伺服阗结构着手建立数学模型，对其动态特性进行仿真 了研究。此外，华中科技大学的高伟等对d e h 的甩负荷特性进行了仿真研究，提出了主要控制参数 的整定范围和改善系统甩负荷特性的见解”。 1 ，2 2故障诊断方法及应用状况 系统故障诊断包括静态性能诊断和动态故障诊断两个方面，本节将对这两个方面所涉及的诊断 方法和应用状况做一个概要的介绍。 i 2 2 1 静态性能诊断 随着科学技术的不断发展，涌现了大型计算机、航天系统、通信系统、大型电站系统等大型的 设备和系统。为了能够较为长久的保持这些大设备、大系统的优良性能。长时间稳定运行，系统的 可靠性问题就变得十分突出，需要有与之相适应的故障分析诊断理论和技术，来全面快速处理有可 能出现和已经出现的各种故障。 影响故障的基本因素包括：设计因素、制造( 工艺) 因素、装配调试因素、材质因素、运行维 修因素等。对于影响因素较为复杂的分析对象，存在着一般分析方法难以综合分析的因素以及各种 复杂逻辑关系的因素时，则需要应用系统工程的方法并且遵从整体性、综合性、科学性、动态性 、层次性、有序性等原则来进行。故障分析的系统工程方法大致可分为四类；统计分析法，如：主 次图法、趋势图法、特征因素图法( h e r r i n gb o n ea n a l y s i s ，简称m l a ) ；逻辑分析法，如：故障 模式和影响分析法( f a i l u r em o d ee f f e c t sa n dc r i t i c a l i t ya n a l y s i s ，简称f 班c a ) 、故障树分 析法( f a u l tt r e ea n a l y s i s ，简称f t a ) 、事件树分析( e v e n tt r e ea n a l y s i s 。简称e t a ) ；模糊 分析法以及综合分析法。这些方法总的思想是把复杂设备和人的因素作为一个系统运用数学方法 和现代化工具手段来研究系统失效的因果之间的各种逻辑关系并计算出系统失效与其组成部分失 效之间的定性、定量关系。 对于静态性能诊断，常用的诊断方法是逻辑方法( l o g i c a lm e t h o d ) 。逻辑方法是把故障的现 象和原因按照严格的逻辑关系有机地联系起来作为推理的依据来预测和诊断系统的故障a 此方法 容易理解、判断迅速准确、e e 够反映相关因素的影响，因而想到了日益广泛的应用。论文也将主要 探讨应用逻辑分析方法，特别是运用眦a 和f t a 方法来对汽轮机电液控制系统进行静态故障分析a 2 第一章绪论 f t a 方法是美国贝尔研究所在1 9 6 1 年分析导弹发射控制系统安全性时，首先提出并应嗣的。此 后波音公司接受了f t a 技术，并成功地应用于飞机的安全性分析。1 9 7 4 年由美国麻省理工学院发 表了关于重水堆核电站事故风险评价的w a s h 一1 4 0 0 报告，标志着f t a 技术逐步走向成熟。1 9 7 5 年在 美国b e r k e l e y 的加利福尼亚大学召开的可靠性会议上发表了许多关于f t a 技术理论和应用方面的 学术论文，f t a 的理论研究走向深入和完善。与此同时，在工业应用领域，如安全可靠性、失效系 统工程、故障诊断等方面，f t a 方法也取得了很大进展和丰硕成果。相对而言。f m e a 方法的提出要 更早些。1 9 5 0 年美国古拉曼公司为研究飞机操纵系统可靠性提出了故障模式效应以及危害度分析 ( f m e c a ) 方法，它是故障模式分析( f m a ) 、故障效应分析( f e a ) 、故障危害分析( f c a ) 三种方 法的综合运用。如果只进行故障模式和影响分析，即f m e a ，则可以从定性方面应用归纳推理以分析 故障的基本因素。f m e a 分析过程一般包括：了解系统情况，明确分析目的；确定分析深度和水平： 划分功能块绘制系统图和可靠性框图；列出系统所有的故障模式并选出对系统有影响的故障分 析故障原因和影响；制定f l e a 表格。文献 8 将故障树以及故障模式和影响分析法应用于某汽轮机 液压控制系统，对其建立了故障树及故障模式和影响分析表。 1 2 2 2 动态故障诊断 图卜l 显示了系统动态故障诊断过程。我们知道，故障诊断信息可用来帮助手动定位故障或作 为系统监控的一个组成部分。园此诊断系统的任务就是在一个或多个传感器送来的数据信息基础 上建立辨识故障的信息。显然这一任务在多数情况下是很重要的，因为我们不可能为每一个可能的 故障提供独立的传感器，这在经济上也是不可行的。 圈一好黼脯息 图l l 故障诊断过程 对于图卜1 所示的工程系统故障诊断过程模型，其诊断方法主要有以下几类： - 专家系统( e x p e r ts y s t e m s ) 。 - 定性推理( q u a l i t a t i v er e a s o n i n g ) ， - 从人工智能的角度出发建立的基于模型的诊断方法， - 从控制工程的角度出发建立的基于模型的诊断方法，以及 神经网络方法( n e u r a ln e t w o r k s ) 。 专家系统指包含知识库和一套算法或规则的计算机程序。它能够基于已有知识和输入数据来提 供一些新的事实。专家系统是一项人工智能应用，使用人类经验为知识基础来帮助解决问题。问题 能解决到什么程度有赖于数据的质量以及从人类经验获取的规则。定性推理亦属于人工智能领域， 它能够创造性的对物质世界连续性方面，如时间、空间、数量等，进行表述以支持通过极少的信息 进行推理。通常其应用集中在科学和工程领域，因此也被称作定性物理学“”。广义而言定性推理 研究的主要目的是发展表述和推理技术以使程序能够在没有足够多或精确的数据基础上推导出物理 系统行为。这一点是和传统分析技术如数值仿真所不同的。这些方法在电液控制系统故障诊断中已 有应用，相关文献包括：采用基于模型的参数识别方法对汽轮机控制系统故障诊断作系统、详尽的 研究；利用模糊模式识别理论，建立系统故障模型。通过对d e h 系统仿真进行故障诊断研究“； 用极大似然辨识方法进行电液控制系统的非线性研究“”等。 流体动力系统给诊断系统的建立带来了两项挑战：首先，流体动力系统表现为很强的非线性， 是本质非线性系统；其次，系统行为动态这就意味着系统输出不仅是时间的函数也是任何系统输 入的函数。 对于非线性问题，应用专家系统来处理会导致诊断所需规则的数量和复杂度增加。类似地，如 果使用定性推理方法非线性将会导致搜索空间( s e a r c hs p a c e ) 大小的增加同时诊断将变得缓 慢和不太可靠。基于模型的诊断方法通常更适用于线性模型。因为系统非线性的增加会导致模型误 差增大，从而使诊断精度降低。而实际系统存在大量的非线性环节线性化模型不可避免地引入误 差。同时该方法参数识别和状态估计计算时间长难以满足实时诊断的要求，一般用于离线诊断。 3 东南大学硕士学位论文 对于动态系统的诊断，定性推理表现出一定的可行性，而人工智能方法则通常并不适用于预测 系统动态行为。相反地，从控制工程角度建立的基于模型的诊断方法能够很好的利用已有的数值建 模技术是种相对比较成功的方法。 对于解决当前我们要处理的问题，神经网络则表现出一系列的优点，特别是神经网络处理高度 非线性动态系统的能力。人工神经网络是用大量的简单处理单元( 即神经元) 构成的非线性系统 在不同程度和层次上模仿人脑神经系统的信息处理、存储及检索功能，具有学习能力、记忆能力、 计算能力以及各种智能处理功能。人工神经网络已经应用于许多领域，如：模式识别、系统建模、 控制优化、图像处理等。国内外有不少资料讨论了人工神经网络在故障诊断方面的应用。例如，文 献“采用神经网络聚类分析液压执行犀路的输出状态空间的方法，根据神经网络提取的状态空间特 征诊断系统故障，研究证明对于单一因素引起的故障，诊断效果很好，而且仿真计算结果和试验台 试验结果基本相符。文献”采用神经网络和动态特征提取技术对液压系统的故障进行归类分析。此 方法对伺服阀和油动机泄漏类型的判别及泄漏量的估计有良好表现，无论单泄漏还是多泄漏判断准 确率达9 5 以上，泄漏量的预测也优于8 5 。其它采用神经网络方法的文献也表明了该方法的有 效性。所以，尽管神经网络的学习过程比较慢，难以实现在线学习，我们仍将研究神经网络方法在 电液控制系统在线故障诊断中的应用问题。 不过，对于实际系统，通常我们会使用混台( h y b r i d ) 系统，取长朴短，以求最大的诊断准确 率。典型的例子如数学模型与神经网络的结合“，统计与神经网络的结合“”，其他还有例如使用专 家系统对从神经网络获得的数据进行后期处理等。 此外概念上可以有两种方式来进行故障诊断：其一是作为参数估计过程；其二是把故障诊断 过程作为辨识过程。不管使用那种方式( 或者说采用那种观点来看待故障诊断) 。用神经网络方法 都有可能得到问题的解。 1 2 3高压抗燃油应用研究现状 伺服阀在汽轮机电液控制系统中的应用始于1 9 6 0 年。大约在同一时期，伺服阀也开始应用于 商业飞机的液压系统中。伺服阀的使用提高了系统安全性以及响应速度。由于存在高压以及液压管 道的位置比较靠近热金属表面容易导致火灾所以这些应用中普遍使用磷酸酯抗燃液压油。工业中 对磷酸脂的使用可以追溯到上世纪4 0 年代末。它们在电力上的应用则是1 9 5 4 年第一次应用于锅炉 给水泵。 液压系统中，伺服阀的良好性能是保证其控制的设备能安全有效运行的必要条件。因此，有必 要深入研究由磷酸酯使用导致的问题和解决方法。 国内对于磷酸酯抗燃油的应用经验只有短短的十几年的时间。近年来，抗燃油应用不当产生的 问题也逐渐显现。不过国内对于这类问题的发生机制以及应用维护方法的研究还不是很成熟也不 很完善。 国外对于磷酸酯抗燃油的研究已经比较深入。磷酸酯的水解或氧化分解会导致其性能退化t 严 重时会引起伺服阀腐蚀或卡塞等故障。文献“”从电化学腐蚀角度对磷酸醋油液的性能退化机制做了 综述指出高阻抗和含氯是导致油液具有腐蚀性的两大因素。该文献同时论述了流体介电常数温 度( 或系统熟点) 系统设计等对腐蚀的影响，并总结了几种减少液压控制阀腐蚀的方法。文献“”详 细分析了电液控制系统设计对抗燃油腐蚀的影响。指出不合理的系统设计可能加剧油液的氧化分解 增加其腐蚀性。文献“”1 对油液净化装置做了介绍。文献1 介绍了液压涡流盘净化器( h s p ) 这一 依靠真空脱水质量传递原理来脱除水分并带走来自液压和润滑油液中气体的装置。h s p 较为缓和的 运行条件保证了油液的化学完整性。在标准运行环境下h s p 方法能够脱除高达1 0 0 的自由水和 8 0 的溶解水份。和传统油液性态维护方法相比，该方法还可以把颗粒污染降低约四倍。文献”1 对 离子交换真空脱水方法进行了介绍。磷酸酯水解生成偏磷酸。水解的速度在酸性环境中会加快， 当油液的酸性达到一定的标准，这个过程就变得异常难以逆转。从这时起，用般的方法比如硅藻 士或活性氧化铝就很难使油液稳定。相反的，用离子交换真空脱水的方法可以有效的阻止上述的退 化过程并使油液的性态保持在汽机设备制造商和电站运行人员所接受的范围内。 1 3 课题的研究目标 提高控制系统可靠性有两个途径：一是从系统维护的角度。针对电液控制系统的特点，提出加 强系统的安全运行维护的建议使其具有良好的的动态和静态特性：二是从故障诊断角度及时发 现控制系统缺陷判断故障发生的部位，这对防止事故扩大和避免事故发生有重要的意义。也就是 说，系统故障诊断也应包括静态诊断和动态诊断两个方面 4 第一章绪论 静态故障诊断将主要运用故障树( f t a ) 以及故障模式和影响分析法( f m e c a ) 对汽轮机电液控 制系统进行故障效应分析，建立故障树、故障模式和影响分析表。同时，系统的许多故障是由于油 系统的泄漏和油质污染造成的。对于d e h 控制系统污染颗粒会使阀芯和阀套加大摩擦，使系统动 作迟缓，同时加快喷嘴和节流口的冲蚀密损使形状足寸变化。最终影响整个控制系统性能。特别对 d e h 执行机构而言，由油中污染颗粒引起的伺服阀失效的故障更容易发生。同时油的酸度过高，对 设备必然产生腐蚀。因此论文特别对油系统从抗燃油的性能退化机制分析到系统的运行维护做了详 细的讨论对浊系统中油质的颗粒度、酸度、污染度等进行了研究。总而言之，静态诊断通过对系 统故障的完整分析，给出了故障处理的意见，使解决故障有据可循。 可以看出，静态诊断方法是一种事后处理故障的方法，主要应用于离线故障诊断。因此。仅仅 对系统故障进行静态模型的分析是不够的。动态故障诊断将主要着眼于故障的在线诊断和实时定位 。它和静态诊断相辅相成，以达到快速判断故障，并及时正确的解决故障的目标。 众所周知，电液伺服阀是电液控制系统的精密核心部件，具有体积小、精度高、动作准确等优 点但是极易发生部件卡涩、滑阀磨损、部件内漏、弹簧变形断裂等故障，是该系统的主要故障源 。因此论文在研究动态故障诊断方法时将以电液伺服阀为主要诊断对象。前面已经指出：神经网 络非常适合处理非线性动态系统。所以，论文的目标是建立一个动态神经网络故障诊断模型，利用 系统已有参量，实现电液伺服阀的动态故障诊断。该工作需要针对诊断对象建立合适的数学模型， 选择合理的观钡5 状态参数并采用神经网络提取故障特征，判断、定位故障源等。 综上所述，课题的研究目标可以归纳为：运用故障树以及故障模式和影响分析法对电液控制系 统进行故障分析；在分析磷酸酯抗燃油特性及相关影响因素的基础上。借鉴国内外先进管理经验和 手段，提出d e h 控制系统抗燃油子系统的运行管理与监铡建议：以电液伺服阀为具体诊断对象研 究神经网络方法在系统动态故障诊断中的应用。 1 4 论文内容 论文要完成的是整个电液控制系统故障诊断的阶段性工作其目标是尽可能完整的给出控制系 统的静态故障分析给出实用的解决故障的方法和建议。另一方面，我们也试图研究神经网络方法 在动态故障诊断中的应用问题。从方法论角度给后续系统开发探索可行方法。 论文完成的主要工作包括： 介绍静态故障诊断方法，并用故障树、故障模式和影响分析法对控制系统进行具体的故障效应 分析，建立了系统的故障树以及故障模式和影响分析表，第二章。 第三章对抗燃油的基本特点做了介绍。从不同角度分析了油的性能退化机制，并对抗燃油系统 的维护和运行监测提出了可行建议。 第匹，五章着手解决系统动态故障诊断问题，使用神经网络方法。第四章主要建立了位置伺服 系统的数学模型，包括正常工况和三类典型故障工况。第五章结合第三方m a t l a b 工具箱概要介绍 了基于神经网络的动态系统故障诊断概念，及如何使用神经网络进行非线性动态系统的辨识。主要 从方法角度来探讨伺服阀故障诊断问题，并给出了具体的网络训练过程、诊断过程阻及诊断结果- 5 一查堕丕堂堡主堂垡迨塞 第二章汽轮机电液控制系统的f b e a 和f t a 故障分析 本章将在介绍d e hi i i 型电液控制系统及其主要部件基础上，对该系统应用故障模式和影响分 析法( f m e a ) 以及故障树( f t a ) 方法进行全面的静态故障分折。 2 1 d e h m 型全数字式电液控制系统 论文的主要研究对象是扬卅f 第二发电公司美国w e s t i n g h o u s e 公司制造的d e hi i l 型全数字式电液 控制系统，它是由d e hi i i 型电子控制器、运行操作界面以及运行操作平台和阴系统等三部分组成。 e h 系统是d e h 系统的执行机构，将d e h 电子控制器产生的调节汽门( 篙称调门) 或主汽门的行程控制 指令转变为调节汽门或主汽门的开度实现汽轮机进汽量和转速及功率的调节；在紧急事故工况下 ，迅速关闭主汽门和调门，切断汽轮机的进汽，达到抑制转速飞升和事故蔓延、保证机组安全的目 的。 e h 系统以具有良好抗燃性能的三芳基磷酸脂( 俗称高压抗燃油，p h o s p h a t ee s t e r - b a s e d f i r e r e s i s t a n tf l u i d ) 为工作介质，由电动高压拄塞( 轴流活塞式) 泵提供动力油。e h 系统主要 由液压控制回路、e h 供油系统和机械危急遮断系统组成。 2 1 1 液压控制回路 液压控制回路如图2 一l 所示，主汽门及调门的执行机构，危急遮断控制模块掏成d e l l 的调节与 保护的执行中枢，来自数字式闽位伺服控制器( m v p ) 卡件的油动机行程控制( 模拟) 信号作用在电 液伺服阅( 俗称电液转换器) 上，来控制高压主汽门和高、中压调门的开度实现对机组转速和功 率的控制。因e h 系统由容积泵供油，负载特性较差供油压力波动较大为避免供、回油压力波动 对电液伺服阀调节品质的影响、缩短调节过程的过渡时间，在高压主汽门及高、中压调门油动机的 供油管路上，设有8 只高压供油蓄能器，分列于汽轮机运行平台的车头端的两侧。e h 系统设有两种 不同的回油油路，所有油动机( 或称汽门执行机构) 的回油均排向压力式回油油管，由8 只低压 回油蓄能器使该油路的压力维挣在2 0 7 k p a ；另外还有一条常压式回油油路，超速保护控制电磁阀、 自动停机遮断电磁阀和e h 系统油压试验回路等的泄油由该油路排向至e h 系统油箱。由于电液伺服 阀的负载容腔很小。油动机在电液伺服阀控制下全行程开启和关闭时间较长，为在机组紧急事故工 况下能快速关闭油动机油动机上均设有倏速卸载俩，以便在讽门及主汽门遮断信号发出后，在快 速卸载阀的作用下油动机能在0 2 秒内全行程关闭。也就是说在d e h 控制系统中，转速与功率调 节由电液伺服阀来完成保护则由快速卸载阀来实现。 d e h 控制系统设置超速保护控制( 0 p c ) 、汽轮机自动停机( a s t ) 和机械超速遮断三遘安全屏障 ，形成o p c 和a s t 两条安全油路，分别接至调门油动机和主汽门油动机。当汽轮机甩去全部负荷 ( 即主变开关跳闸) 或转速升至1 0 3 额定转速时，超速保护控制( o v e r s p e e dp r o t e c t i o nc o n t r o l ， 简称o p o 器发出遮断信号o p c 电磁阀带电动作，快速泄放超速保护控审4 遮断油。由油动机的快速 卸载阀动作，使高、中压调门快速关闭；运行中一旦出现转速升至l l o 额定转速或其它恶性故障 时，自动停机遮断( a u t os t o pt r i p ，简称a s t ) 电磁阀失电动作，将全部主汽门和调门快速关闭；只 有当转速升至1 1 1 额定转速时，机械超速遮断器才动作，卸去隔膜阀上的低压安全油，驿放阴系 统的危急遮断油，同样将主汽门及调门快速关闭。此外，本系统还设有中压缸侠关功能，在电网出 现故障、机组失去部分负荷时，由中压调门的快关电磁阀动作- 快速关闭中压调门，降低汽轮机的 机械功输出待中压调门关闭一定时间后中压调门的快速开启电磁阀( f o i v ) 动作，使中压调门 重新开启。 由图2 - 1 可知，主汽门及调门的执行机构组成汽轮机电液控制系统的调节系统包含高压汽门 执行机构和中压调门及主汽门执行桃构两个部分。高压汽门执行机构由电液转换器、油动机( 或称 伺服马达) 、快速卸载阔、线性位移差动变送器、隔离阀、滤网、逆止祸等部件构成电液位置控制 回路。中压调门执行机构的主体结构与高压调门执行机构相似，不同处在于中压调门执彳亍机构上增 设了三通试验电磁阀、快速开启电磁阀和油动机动力油路球胆式蓄能器，另外快速卸载阀的结构 改变较大。 6 第二章汽轮机电液控制系统的f m e a 和f t a 故障分析 7 母墓回嚣张坦缮g螺帐器鼎樊脚佰扑簸副hhh夏口_【匝 东南大学硕士学位论文 掰l 赣 w 盏口 懿l 龋 2 1 2电液控制的供油系统 w e s t i n g h o u s e 公司d e hi i i 电液控制的供油系统如图2 - 2 所示- 它主要由油箱、高压定压式柱 塞泵、卸压阀、高低压蓄能器、滤油器、冷油器等组成，产生的高压动力油分别向主汽轮机电液控 制系统、给水泵汽轮机电液控制系统和旁路系统的液压执行机构供油。2 台高效、低噪高压柱塞泵 8 嚣峨暴举邕幄g螺髅宙 甲n 匝 第二章汽轮机电液控制系统的f h e a 和f t a 故障分析 ，一台工作，另一台备用，在油泵出口母管压力降至l o 1 0 7 m p a 时备用泵自动启动授运；来自 油箱的液压油经1 4 0 m 滤网进入油泵的进口处油泵产生的高压油经文丘里流量测量装置和逆止 阀，输出到高压油母管；卸压阀起着安全保护作用，当两台泵出口母管的油压超过设定极限( 1 5 8 l f i 2 m p a ) 时，该阀动作将浊泵出口油流直接排至油箱i 油泵出口母管上的四通阀是为切换管式滤 油器而设置的，该阀为手操阀，由它改变油泵出口的油流流向，使之经过两个滤油器或其中的某一 个；在正常运行t 况下油泵出口的高压油必须经过过滤名义精度为3h m 的滤油器( 2 个或其中1 个) ，当该滤油器进、出压力差大于6 6 9 k p a 时，压力开关发出报警指示。此时应通过操作四通阀， 将该滤油器退出运行，关闭出口油路上的截l e 阀，在线更换滤芯；经3 m 滤油器后的高压油一 路分配给主汽轮机和给水泵汽轮机的电液控制系统及旁路系统的液压执行机构另一路经精滤器组 件，在线并行地净化油液；精滤器组件是由硅藻土过滤器和纤维型过滤器组成，硅藻土过滤器是为 调节油液的酸性设置的纤维型过滤器的过