计控课社,故障检测系统的设计

课程设计任务书课程设计任务书 学 院专 业 学生姓名班级学 号 课程设计题 目 故障检测系统设计 2 实践教学要求与任务实践教学要求与任务 1 学习故障检测方法 2 构成故障检测系统 3 实验研究 4 THFCS 1 现场总线控制系统实验 5 撰写实验报告 工作计划与进度安排工作计划与进度安排 1 第 1 2 天 查阅文献 学习故障检测方法 2 第 3 4 天 构成故障检测系统 3 第 5 6 天 实验研究 4 第 7 9 天 THFCS 1 现场总线控制系统实验 5 第 10 天 撰写实验报告 指导教师 201 年 月 日 专业负责人 201 年 月 日 学院教学副院长 201 年 月 日 2 控制系统故障检测系统设计控制系统故障检测系统设计 摘要摘要 连续工业生产过程 如石油炼制 化工 电力 钢铁 冶金等行业 其生 产环境通常处于高温高压或低温真空等极端环境 如操作不当或因控制系统发 生故障 可能会造成生产中断 爆炸 毒气泄漏等危险 不仅给生产带来了巨 大损失 而且严重威胁着人身安全 例如 2008 年春节前夕我国遭受的特大雪 灾 造成南方电网故障频发 部分省份大面积停电 居民的基本生活用电无法 保障 这是企业和用户难以接受的 对于某一个连续的复杂工业生产线 某一 装置发生故障后 如不能及时采取措施 就可能影响整个生产线的平稳运行 甚至造成巨大的灾难 因此工业上也急切需求控制系统能够具有故障检测 诊 断与容错控制的能力 另一方面 由于多数过程控制对象都具有慢变化特性 其控制精度的要求比航空航天或运动控制精度要低 这就为故障检测 诊断与 容错控制技术在工业过程中的应用提供了可能性 为了提高生产的安全性 对控制系统进行有效地故障检测 诊断与容错补 偿措施是十分必要的 且多数过程控制对象都具有慢变化特性 其控制精度的要 求比航空航天或运动控制精度要低 这就为故障检测诊断与容错控制技术在工 业过程中的应用提供了可能性 实际的容错控制策略不仅要保证在故障模式下 系统的稳定 同时也要尽可能满足一定的性能指标或约束条件 因此进一步探 索在多目标或多约束条件下的满意容错控制方法就是非常必要的 本文重点研 究过程控制系统的故障检测诊断与容错控制理 1 绪论绪论 容错控制是系统对故障的容忍技术 它能提高系统的可靠性 容错控制理 论经过近四十年的研究 取得了丰富的理论成果 且大多数的研究成果都是针 对系统故障前后的稳定性进行设计 在实际中 过程控制系统不仅要同时满足 多种性能指标 而且还要受到各种约束条件的制约 目前现有的容错控制 FTC 设计方法很少考虑这些约束 在一定程度上影响了 FTC 研究成果的工程应用 2005 年 针对实际工程系统对可靠性和控制性能要求日益提高的现实 国家自 3 然基金委批准了 多条件约束的满意容错控制 面上研究项目 旨在推动容错 控制理论进一步满足工程应用需求 2008 年 国家自然基金委又批准了 基于 多性能指标与条件约束下的相容性理论与主动容错控制研究 面上研究项目 拟将模型预测控制与多目标满意优化等思想融入容错控制的多条件约束与性能 指标的相容性分析和容错控制研究 以期进一步推动容错控制理论在实际工业 过程控制系统中的应用 本文在国家自然科学基金 多指标约束下的满意容 错控制 国家自然科学基金 基于多性能指标与条件约束下的相容性理论与 主动容错控制研究 江苏省高校自然基金项目 典型化工过程主动容错控制 的研究 以及扬子石化公司横向课题 丁二烯装置成套控制软件的开发与优 化 和 基于专家系统的 2 丁二烯装置在线优化控制 的资助下 重点研究过 程控制系统的故障检测 诊断与容错控制理论与技术 以期建立多种传感器故 障和执行器故障 阀门故障 合理描述形式 使其更加贴近于工业实际情况 研究 基于数据驱动的多种故障模式下的快速故障检测诊断方法 研究基于卡尔曼滤波 在线学习算法的自适应逆模主动容错控制器的设计方法 由于化工过程的控制 的目标不仅是产品质量 而且要求成本 能耗和环境等多项性能指标同时满足 要求 论文进一步探索了在多目标或多约束条件下的满意容错控制方法 2 基于多模型的鲁棒故障诊断与补偿容错控制基于多模型的鲁棒故障诊断与补偿容错控制 2 1 故障现象的合理描述故障现象的合理描述 工业过程目前绝大部分己采用了计算机控制系统 且以计算机控制的可靠 性可以达到较高水平 随之而来的问题是执行器和传感器可靠性的不足 实际 上 传感器和执行器的故障已成为导致控制系统失效的主要原因 据统计 80 控制系统失效 起因于传感器和执行器故障 然而 传统控制理论的研究大多 都是基于传感器和执行器工作正常的假设 因此 研究传感器和执行器的故障 检测和容错控制问题有重要的理论和应用价值 另一方面 目前大部分故障容 错控制研究中广泛采用了 二状态故障模型 虽然这种描述可以简化故障诊断 和容错控制的研究 但这种描述不能很好的反映实际的工程系统中所发生的故 障现象 因此 如何建立合理的实际故障的解析模型是非常必要的 4 2 2 传感器故障的合理描述传感器故障的合理描述 2 2 1 传感器故障问题的描述传感器故障问题的描述 对于一个多输入多输出的非线性动态系统 其传感器故障数学模型描述为 这里 x Rn 是状态矢量 Rm 是输入矢量 Rn 表示系统的非线性 u uxf 系统模型 Rn 表示模型的不确定性 Rn 表示传感器故障函 ux tuxF 数 Rq 表示系统的输出函数 Rq 表示测量的随机误差 或称自 uxg t 由噪声 通常自由噪声服从零平均值的正态分布 即 N 0 1 其中 t 1 为自由噪声的方差 它主要是由于测量系统本身或测量过程本身的随机性 造成的 是不可预期的 故障发生的时间可以被描述为 表示一个时变增益的常数矩阵 可以描述突变故障 衰减故障 突变故障 衰减故障 是衰减系数 U t 代表单位阶跃响应 R 2 2 2 传感器故障分类及其特性描述传感器故障分类及其特性描述 在实际的工业过程中 传感器由于外界环境的干扰和其本身的特性 会发 生许多种不同类型的故障 例如 偏差故障 漂移故障 精度下降故障和完全故 障 前三种故障被称为 软故障 而后一种故障被称为 硬故障 软故障由 于故障现象不明显 难于被检测 使得软故障在某种程度上比硬故障危害更大 这四种传感器故障的解析模型可以被描述为 1 偏差故障 是指故障测量值与正确测量值相差某一恒定常数的一类故 障 即 F x u t b b 为常数 2 2 6 5 该类故障的表现形式如图 2 2 1 a 所示 从图中可以看出 有故障的 测量与无故障的测量是平行的只是两者之间相差一个常数 b 2 漂移故障 是指故障大小随时间发生线性变化的一类故障 其表示 形式为 F x u t d t T0 为常数 To 为的故障起始时刻 2 2 7 该类故障的表现形式如图 2 2 1 b 所示 从图中可以看出 有故障测 量值与无故障测量值之间的差距随时间的推移而不断加大 3 精度下降故障 发生精度下降故障时 测量的平均值并没有变化 而是测量的方差发生了变化 具体表示形式为 F x u t N 0 2 2 8 这里 N 0 表示高斯白噪声 表示方差 精度下降故障类似于自由 噪声的方差增大的情况 其表现形式如图 2 2 1 c 所示 从图中可以看出 有 故障测量与无故障测量混杂在一起 正是由于这一点 使得该类故障的检测较 其他三类故障更难 3 基于多模型的鲁棒故障检测技术基于多模型的鲁棒故障检测技术 基于解析模型的故障检测与诊断方法是通过系统实际行为与基于模型的预 期行为的差异的分析与比较 检测系统是否发生故障 并对故障发生部位 故障 的大小及类型进行诊断 这种基于解析模型的故障诊断方法具有不需要另增加 其他物理设备的优点 在理论研究和工程应用方面都具有很强的吸引力 3 1 系统的建模系统的建模 动态系统解析冗余是指系统输入信息和输出信息之间瞬态关系的集合 动态 系统的建模过程实际上就是从过程输入输出关系中提取解析冗余信息的过程 假设一个可以用非线性自回归滑动模型表示的多输入多输出的非线性系统 在 没有故障 扰动和噪声情况下可表示为 这里 是一个未知的非线性函数 k Rm 和 Rp 分别表示 f u ky 是过程的输入和输出 nu 和 ny 分别表示输入和输出的阶数 d 表示输入时滞 6 系统可以使用不同的建模方法建立系统的模型 模型可以表示如下 这里任严表示模型的输出 表示非线性函数 的估计这里的 p Rky ff 建模方法有很多 例如 时域上描述系统的数学模型常用代数方程 微分方程 线性动态系统的模型 本章仿真研究主要利用神经网络建模方法建立正常过程 模型和各种历史故障模型随机微分方程 差分方程 随机差分方程等 近年来 也有许多文献采用基于智能建模方法建立非线性动态系统的模型 本章仿真研 究主要利用神经网络建模方法建立正常过程模型和各种历史故障模型 4 三水箱系统的故障检测诊断与补偿容错控制仿真三水箱系统的故障检测诊断与补偿容错控制仿真 4 1 三水箱系统模型三水箱系统模型 本节采用了典型的多变量过程控制装置 三水箱系统模型 进行仿真研究 三水箱实验模型结构如图 4 1 所示 这个过程包含三个玻璃圆桶水箱 各圆筒的 横截面积 图 4 1 三水箱系统结构示意图 都为 A 三个圆筒有横截面积为 Sp 的圆管相连接 在水箱 1 和水箱 3 下方各有 一个泄漏阀 在一般情况下 泄漏阀是关闭的 其数学机理模型描述如下 7 4 2 建立三水箱过程的解析模型建立三水箱过程的解析模型 利用神经网络技术建立三水箱过程的正常解析模型 根据系统的动态和实验 分析 首先确定其输入的阶次和延迟时间分别为 nu 2 d 0 然后采用一个三层 感知机网络开环辨识三水箱过程 网络结构采用了 4 个输入节点 9 个隐层节点 和 2 个输出节点的三层网络结构 采用 9 个隐层节点是由实验的尝试其具有较 小的建模误差和模型结构 采用 Levenberge 一 Marguardt 优化算法训练网络 网络可用下述方程描述 训练好的网络通过在 MATLAB 命令窗口使用 gensimo 函数 将网络模块嵌入在 SIMULINK 中 实现系统的在线估计 图 4 2 显示了模型对无故障数据的估计性能 由于非常小的建模误差 模型估计曲线与过程实际输出曲线基本重合 8 图 4 2 PID 控制效果及神经网络模型跟踪效果图 4 3 传感器精度下降故障的检测与容错补偿控制仿真传感器精度下降故障的检测与容错补偿控制仿真 本节分别针对偏移故障 漂移故障 精度下降故障和完全衰减故障等多种传 感器故障模式进行仿真研究 由于单独发生的偏移故障和漂移故障的诊断较为 容易 用本章提出的方法很容易检测 且诊断快速性和准确性都比较理想 这 里重点研究在精度下降故障和完全衰减故障以及多种故障同时发生的情况下 系统的检测诊断性能以及补偿容错控制策略性能分析 l 精度下降故障的鲁棒检测结果 假设水箱 2 在 500 秒 800 秒期间发生精度下降故障 其故障的动态模型为 N 0 1 为高斯随机数表示测量噪声 1 3 N 0 2 为高斯随机数表示精度 下降故障 2 0 8 U k T 为单位阶跃函数 在 MATLAB SIMULINK 进行上述传 感器故障仿真 仿真结果如图 4 3 所示 图 4 3 a 显示发生故障期间水箱液位 2 并没有出现大的波动 这是由于负反馈 PID 控制器对回路故障有一定的鲁性 也就是的精度下降故障与测量噪声交杂在一起 以其它三种传感器故障更难于 诊断 图 4 3 采用不确定区域包络闽值技术检测故障 图 4 3 c 显示在水箱 2 液位 PID 控制的输出频繁波动条件下 阀门的开度也频繁变化 容易造成阀门 损坏 2 辛卜偿容错控制仿真结果 9 当故障被检测并隔离后 发生故障的传感器的测量信号 可以通过软件冗余 关系采用神经网络模型在线估计这个测量信号 并将负反馈的反馈回路切换到 模型估计输出值构成主动容错控制策略 图 4 3 水箱 2 液位传感器衰减故障下系统输出响应曲线图 10 4 4 多模式传感器故障的检测与补偿容错控制仿真多模式传感器故障的检测与补偿容错控制仿真 种故障同时发生的情况下系统响应分析假设在水箱 2 液位传感器在 400s 时 刻发生精度下降故障 同时水箱 1 液位在 5005 时刻发生衰减性完全故障 其故 障的动态模型为 这里 N 0 1 为高斯白噪声表示测量噪声 1 0 3 表示衰减 01 0 系数 N 0 2 为高斯随机数表示精度下降故障 2 0 8 U k T 为单位阶跃函数 仿 真结果如图 4 4 所示 图 4 4 a 显示水箱 1 液位由于其负反馈传感器完全衰减 故障 使得液位 2 完全失去控制 并在 609 秒后已达到最大值 水箱 2 液位仍然能 够跟踪设定值变化 但其 PID 控制的输出 即泵 2 的供应流量 Q2 在最大值 100ml s 最小值 0ml s 进行大幅度的震荡 如图 4 4 所示 图 4 4 多种传感器故障同时发生的情况卜系统输出响应曲线 11 5 结束语结束语 本文针对闭环控制中