PDF《舰船主动力装置故障隔离与参数估计方法》

第41卷 第 2期 国防科技大学学报Vol.

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0 1 9年 4月 J O U R N A LO FN A T I O N A LU N I V E R S I T YO FD E F E N S ET E C H N O L O G Y A p r .

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6 h t t p : / / j o u r n a l . n u d t . e d u . c n 舰船主动力装置故障隔离与参数估计方法 黄林, 程刚, 朱国情, 陈于涛 ( 海军工程大学 舰艇装备仿真技术研究所,湖北 武汉

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3 3 ) 摘要: 针对舰船主动力装置结构复杂、 故障种类多和系统不确定性等故障诊断问题, 提出采用基于双 因果键合图模型的定量故障隔离与参数估计方法.根据系统传感器配置方案, 建立双因果键合图模型, 通过 因果路径分析, 推导得到系统解析冗余关系, 并获得故障特征矩阵.建立系统线性分式变换键合图模型, 开 展故障仿真, 将其与双因果键合图模型耦合, 在MATLAB/Simulink环境中进行仿真试验, 实现了舰船主动力 装置的故障隔离与参数估计.结果表明: 对双因果键合图模型因果路径分析, 可以避免手动推导系统解析冗 余关系的繁杂过程;

基于其部件构造方程的分析可以有效实现系统故障隔离与参数估计, 实时跟踪和预测故 障状态. 关键词: 舰船主动力装置;

双因果键合图;

故障隔离;

参数估计 中图分类号: U

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3 文献标志码: A 文章编号:

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0 9 F a u l t i s o l a t i o na n dp a r a me t e re s t i ma t i o no f ma r i n ema i np o w e r p l a n t b a s e do nb i c a u s a l b o n dg r a p h s H U A N GL i n ,C H E N GG a n g ,Z H UG u o q i n g ,C H E NY u t a o ( R e s e a r c hI n s t i t u t e o f E q u i p m e n t S i m u l a t i o nT e c h n o l o g y ,N a v a l U n i v e r s i t yo f E n g i n e e r i n g ,Wu h a n

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3 3 ,C h i n a ) A b s t r a c t :A i m i n g a t t h ei n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f c o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ,m u l t i p l ef a u l t t y p e s a n ds y s t e mu n c e r t a i n t yo f m a r i n em a i np o w e r p l a n t ,a q u a n t i t a t i v e a l g o r i t h mf o r f a u l t i s o l a t i o na n dp a r a m e t e r e s t i m a t i o nb a s e do nb i c a u s a l B G( b o n dg r a p h )w a s d e v e l o p e d .B a s e do ns e n s o r c o n f i g u r a t i o ns c h e m e ,t h es y s t e mb i c a u s a l B Gm o d e l w a sb u i l t .B ya n a l y z i n gt h em o d e l c a u s a l p a t h ,t h es y s t e m A R R s( a n a l y t i c a l r e d u n d a n c y r e l a t i o n s )w e r e d e r i v e da n dt h ef a u l t s i g n a t u r em a t r i x w a s o b t a i n e d .T h e L F T( l i n e a r f r a c t i o n a l t r a n s f o r m a t i o n )B Gm o d e l w a s d e v e l o p e df o r f a u l t s i m u l a t i o n .T h r o u g hc o u p l i n g L F Ta n db i c a u s a l B Gm o d e l s ,t h e f a u l t i s o l a t i o na n dp a r a m e t e r e s t i m a t i o no f m a r i n e m a i np o w e r p l a n t w e r e r e a l i z e d a n dt h ee f f e c t i v e n e s s w a s v a l i d a t e db y M A T L A B / S i m u l i n ks o f t w a r e .R e s u l t s s h o wt h a t t h eb i c a u s a l l e dB Gh e l p s t os i m p l i f yA R R s d e v i a t i o n ,a n d t h ef a u l t i s o l a t i o na n dp a r a m e t e r e s t i m a t i o nc a nb ee f f e c t i v e l yr e a l i z e da n dt h ef a u l t s t a t u s c a nb et r a c k e da n dp r e d i c t e db ya n a l y z i n gt h ee l e m e n t c o n s t i t u t i v ee q u a t i o no f b i c a u s a l l e dB G . K e y w o r d s :m a r i n e m a i np o w e r p l a n t ;

b i c a u s a l b o n dg r a p h ;

f a u l t i s o l a t i o n ;

p a r a m e t e r e s t i m a t i o n 舰船主动力装置是舰船至关重要的组成部 分, 包含了主机、 传动装置、 推进轴系和推进器等. 由于结构复杂且工作环境恶劣, 因此故障率较高, 但舰船机舱空间狭窄, 管路系统复杂, 发生故障后 很难通过肉眼观察进行排查[

1 ] .基于上述特点, 针对舰船主动力装置的故障诊断与隔离问题一直 是重要的研究课题. 基于数学模型的故障诊断技术是近年来发展 较快的一种方法.通过建立一个能够准确描述系 统动态变化过程的数学模型, 在其基础上, 推导系 统的解析冗余关系(A n a l y t i c a lR e d u n d a n c y R e l a t i o n s ,A R R s ) , 建立系统的故障特征矩阵(FaultSignatureM a t r i x ,F S M) , 再通过在线对系 统故障特征向量进行观测, 可以实时地对系统进 行故障诊断与隔离.基于解析模型故障诊断的准 确性与实时性很大程度上取决于系统模型的质 量.针对复杂系统建模与故障诊断问题, 键合图 理论以其规范化、 系统化和支持多能域耦合建模 的特点, 为复杂系统的故障诊断提供了一个便捷、 有效的方法.参数估计是在系统故障隔离基础之 上, 采用一定的数学算法对系统中的不确定性参 数进行估计, 掌握和分析系统的故障程度, 这对于 缓慢性故障的诊断具有非常重要的意义, 可以应 用于系统的健康状态评估, 将事后维修随后逐渐 发展到基于运行状态的状态维修, 从而对主动力 装置进行快速和准确的评估[

2 ] . 收稿日期:

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0 7 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(

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4 2 ) 作者简介: 黄林(

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9 2 ―) , 男, 江西萍乡人, 讲师, 博士, E m a i l :

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5 @q q . c o m 第 2期 黄林, 等: 舰船主动力装置故障隔离与参数估计方法 在国外, S a m a n t a r a y等[

3 ] 、 B o u a m a m a等[

4 ] 、 M e r z o u k i 等[

5 ] 和Loureiro等[

6 ] 针对基于键合图理 论的建模与故障诊断问题进行了大量深入的研 究, 其中最具代表性的为 S a m a n t a r a y 等[

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8 ] 针对 锅炉蒸汽系统进行的键合图建模, 以及基于该模 型的故障诊断方法研究, 充分证明了即使是对于 蒸汽系统这样复杂、 强非线性的系统, 基于键合图 理论的建模与故障诊断方法同样是适用的.在国 内, 樊久铭等[

9 ] 建立了液体火箭发动机的故障诊 断键合图模型并进行了故障诊断的仿真验证.牛 刚等[

1 0 ] 针对机车制动系统故障检测与隔离的问 题, 建立了系统键合图模型, 提出了采用序贯概率 比方法对系统残差进行跟踪判断, 实现了部件的 故障诊断与隔离.黄志武等[

1 1 ] 采用同样的方法, 针对法维莱制动机系统, 推导计算了系统解析冗 余关系, 得到了系统故障特征矩阵, 并将该方法进 行了实际应用.彭小辉等[

1 2 ] 针对航天器推进系 统的时变特性, 在系统键合图模型的基础上, 采用 了 Z检验分析与解析冗余关系相结合的半定性 故障隔离方法, 实现了对部件的故障检测与隔离. 基于双因果键合图模型的故障诊断是在上述 研究方法上的进一步创新, 相比于文献[ 9-

1 2 ] 所采用的因果关系倒置诊断键合图模型(DiagnosticB o n dG r a p h ,D B G ) , 双因果键合图可 以帮助建模者以更灵活的方式进行系统因果关系 的指定.一方面, 通过对因果路径的分析, 在推导 系统 A R R s 时不需要形成具体的数学表达式, 减 少了大量的工作.另一方面, 相比于传统的键合 图模型, 双因果键合图模型中的故障部件同时接 收了系统流变量和势变量的信息, 因此, 根据部件 的构造方程, 可以实现部件的参数估计, 实时地跟 踪故障状态参数, 具有非常重要的现实意义. 文献[

1 3 ] 以两水箱系统为例, 研究了基于双 因果键 合图模型的故障诊断与隔离问题, 文献[

1 4 ] 提出了基于双因果键合图模型的参数估 计方法, 并以一小型的移动机器人为对象进行了 ........