燃?xì)廨啓C(jī)氣路與傳感器耦合故障診斷模型研究

閆麗萍 張華良,3 董學(xué)智 陳海生 譚春青

1.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所,北京,1001902.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京,1000493.中科院工程熱物理研究所南京未來(lái)能源系統(tǒng)研究院，南京，211135

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)作為高新技術(shù)密集型產(chǎn)品，具有功率密度大、啟動(dòng)性能好、污染排放低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于油氣工業(yè)、船舶動(dòng)力、電力生產(chǎn)等領(lǐng)域[1]。燃?xì)廨啓C(jī)氣路故障診斷技術(shù)是確保燃?xì)廨啓C(jī)安全運(yùn)行、減少維護(hù)成本、提高經(jīng)濟(jì)性的重要手段[2-3]。燃?xì)廨啓C(jī)氣路診斷方法主要分為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法和基于模型的方法[4]?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法需要大量測(cè)量數(shù)據(jù)做訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)故障部件的定位[5]；基于模型的方法建立在燃?xì)廨啓C(jī)模型基礎(chǔ)之上，通過(guò)模型的數(shù)理關(guān)系來(lái)跟蹤分析測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)而估計(jì)氣路部件的衰退程度[6-7]。

常規(guī)氣路診斷方法的性能均依賴于從傳感器獲得的信息準(zhǔn)確性[8]。傳感器故障會(huì)使氣路診斷系統(tǒng)接收不正確的信息，然而大多數(shù)系統(tǒng)是基于傳感器無(wú)故障的假設(shè)[9]，這樣就會(huì)導(dǎo)致診斷系統(tǒng)錯(cuò)誤地估計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)的健康狀況，因此，需要消除傳感器故障影響，減少其對(duì)氣路診斷系統(tǒng)的干擾。傳感器診斷系統(tǒng)是建立在健康燃機(jī)模型基礎(chǔ)之上的，通過(guò)測(cè)量值與估計(jì)值的殘差來(lái)判斷故障傳感器位置，此時(shí)如果發(fā)生氣路故障，估計(jì)值與故障狀態(tài)下的實(shí)際估計(jì)值不符，將會(huì)導(dǎo)致傳感器診斷系統(tǒng)誤診或是漏診。在實(shí)際工程應(yīng)用中，氣路故障和傳感器故障都可能發(fā)生[10]，而兩類故障均存在相比只有一類故障而言，給燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制帶來(lái)的危害更加嚴(yán)重。特別是針對(duì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)視診斷的系統(tǒng)而言，一類故障發(fā)生時(shí)如果沒有得到有效控制，導(dǎo)致兩類故障耦合則影響更為嚴(yán)重。因此，研究氣路和傳感器耦合故障診斷的方法至關(guān)重要。

目前，故障診斷研究主要集中于氣路故障診斷或傳感器故障診斷，對(duì)兩類故障的耦合診斷研究較少。DEWALLEF等[11]通過(guò)給目標(biāo)函數(shù)增加附加懲罰項(xiàng)，改進(jìn)了擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，降低了氣路健康參數(shù)估計(jì)對(duì)傳感器故障的敏感性。LI等[12]提出了一種基于高斯數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)原理的定位方法以去除可疑傳感器，提高氣路分析方法對(duì)傳感器故障的魯棒性，但要求必須存在冗余測(cè)量數(shù)據(jù)。YANG等[9]提出了一種基于多模型的故障檢測(cè)與隔離方法，采用基于分層的FDI(fault detection and indentification) 框架，但前提是一類故障必須要先于另一類故障發(fā)生，在正確重構(gòu)后才可以進(jìn)行下一次的診斷，本質(zhì)上依舊只是對(duì)一類故障的診斷研究。張鵬[13]采用氣路故障診斷系統(tǒng)和傳感器診斷系統(tǒng)交替工作的方式，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路部件和傳感器故障耦合診斷，但兩個(gè)系統(tǒng)不斷更新彼此傳遞的參數(shù)，大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間。

為了進(jìn)一步研究耦合故障診斷方法，本文提出一種燃?xì)廨啓C(jī)氣路和傳感器耦合故障診斷模型，模型采用因工況變化引起的測(cè)量變化量以消除傳感器偏置故障影響；然后采用無(wú)跡卡爾曼濾波器(unscented Kalman filter，UKF)跟蹤該變化量，實(shí)現(xiàn)氣路健康參數(shù)的估計(jì)，并更新傳感器診斷系統(tǒng)相應(yīng)狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)故障傳感器的隔離；最后，對(duì)某典型三軸式燃?xì)廨啓C(jī)氣路和傳感器耦合故障展開仿真實(shí)例研究，驗(yàn)證所提模型的有效性。

1 燃?xì)廨啓C(jī)氣路故障和傳感器故障診斷系統(tǒng)介紹

本文的研究對(duì)象為某典型三軸式燃?xì)廨啓C(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。該燃機(jī)由五個(gè)氣路部件(低壓壓氣機(jī)，高壓壓氣機(jī)，高壓渦輪，低壓渦輪，動(dòng)力渦輪)及一個(gè)燃燒室組成。采用基于部件特性的部件法，建立燃?xì)廨啓C(jī)的非線性模型[14-15]。

圖1 某典型三軸式燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of a typical three-shaftgas turbine

氣路故障導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的部件特性發(fā)生衰退，根據(jù)文獻(xiàn)[16]，氣路故障的衰退程度由健康參數(shù)表征，即氣路部件流量減小或增大程度的流量系數(shù)Wi和效率下降程度的效率系數(shù)Ei。健康參數(shù)定義如下：

(1)

燃?xì)廨啓C(jī)的非線性數(shù)學(xué)模型如下：

(2)

式中，h(·)為表示燃?xì)廨啓C(jī)工作過(guò)程的非線性函數(shù)；u為燃?xì)廨啓C(jī)控制量，x為狀態(tài)向量，下標(biāo)k表示第k時(shí)刻；yk為燃?xì)廨啓C(jī)的測(cè)量參數(shù)；ωk、νk分別為系統(tǒng)噪聲和測(cè)量噪聲。

xk-1=

(3)

(4)

(5)

將三軸式燃?xì)廨啓C(jī)的健康參數(shù)p=[W1E1W2E2W3E3W4E4W5E5]T

增廣到狀態(tài)參數(shù)中，則氣路故障診斷問題轉(zhuǎn)化成非線性辨識(shí)問題。式(2)可改寫為如下形式：

(6)

對(duì)于基于無(wú)跡卡爾曼濾波器的傳感器診斷系統(tǒng)，需要建立m個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的濾波器，每個(gè)濾波器的輸入均為m-1個(gè)測(cè)量參數(shù)值。第i個(gè)濾波器的輸入是除第i個(gè)傳感器之外的其余m-1個(gè)傳感器測(cè)量參數(shù)。則各個(gè)濾波器的殘差序列加權(quán)平方和(WSSR)為[19]

(7)

Σ=(diag(σ))2

當(dāng)兩個(gè)傳感器同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，需要增設(shè)一個(gè)輸入量為全部傳感器測(cè)量參數(shù)的濾波器“0”，一共設(shè)置m+1個(gè)濾波器，同時(shí)定義以下判斷準(zhǔn)則：

Li=R0-Ri

(8)

與單傳感器故障判斷準(zhǔn)則相反，當(dāng)故障傳感器對(duì)應(yīng)濾波器的Li值高于閾值、其他無(wú)故障傳感器對(duì)應(yīng)的濾波器的L值低于閾值時(shí)，實(shí)施故障傳感器的隔離[22]。本文故障閾值均是基于實(shí)驗(yàn)確定的。

2 燃?xì)廨啓C(jī)氣路與傳感器耦合故障診斷模型

2.1 耦合故障影響分析

氣路故障診斷系統(tǒng)根據(jù)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)跟蹤燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化，當(dāng)傳感器發(fā)生故障時(shí)，測(cè)量參數(shù)偏離實(shí)際參數(shù)，使得氣路故障診斷系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確判斷燃?xì)廨啓C(jī)的健康狀況。傳感器診斷系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量值與基于健康燃機(jī)模型的估計(jì)值之間的殘差判斷故障傳感器位置，當(dāng)氣路故障發(fā)生時(shí)，燃機(jī)特性發(fā)生變化，使得估計(jì)值偏離真實(shí)估計(jì)值，導(dǎo)致傳感器診斷系統(tǒng)誤診或是漏診。

基于無(wú)跡卡爾曼濾波器的氣路故障診斷系統(tǒng)和傳感器故障診斷系統(tǒng)均存在以上問題。在本文的實(shí)驗(yàn)仿真案例中，三軸式燃?xì)廨啓C(jī)均發(fā)生了氣路故障(低壓壓氣機(jī)流量衰退2%)和傳感器故障(第三個(gè)傳感器輸出功率P發(fā)生0.8%偏置故障)。在案例1中，燃?xì)廨啓C(jī)在4 s時(shí)發(fā)生氣路故障，在12 s時(shí)發(fā)生傳感器故障，圖2所示為氣路診斷系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果。由圖2可知，氣路故障診斷系統(tǒng)在4 s發(fā)生氣路故障時(shí)可以準(zhǔn)確地估計(jì)出低壓壓氣機(jī)流量系數(shù)W1減小2%，但在傳感器故障發(fā)生后，系統(tǒng)診斷結(jié)果為低壓壓氣機(jī)流量系數(shù)W1減小2.15%，動(dòng)力渦輪效率系數(shù)E5增大1%，與實(shí)際發(fā)生的氣路故障不符，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的健康參數(shù)估計(jì)誤差較大。在案例2中，燃?xì)廨啓C(jī)在4 s時(shí)先發(fā)生傳感器故障，12 s時(shí)發(fā)生氣路故障，圖3所示是傳感器診斷系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果。結(jié)果主要展示無(wú)故障傳感器對(duì)應(yīng)的指示信號(hào)(WSSR值)R5和故障傳感器對(duì)應(yīng)的指示信號(hào)(WSSR值)R3，因傳感器故障對(duì)其他無(wú)故障傳感器對(duì)應(yīng)的指示信號(hào)影響相同，即其他傳感器對(duì)應(yīng)的故障指示信號(hào)和R5相似。由圖3可知，4 s后只有R3低于閾值(紅色虛線所示)，其他指示信號(hào)均超過(guò)閾值(如R5)，系統(tǒng)診斷出第3個(gè)傳感器即輸出功率傳感器發(fā)生故障，正確隔離了故障傳感器。但在12 s發(fā)生氣路故障后，所有WSSR值Ri均超過(guò)閾值，根據(jù)單傳感器故障診斷邏輯，無(wú)法判斷故障傳感器的位置。

圖2 氣路故障診斷系統(tǒng)結(jié)果Fig.2 Results of gas path fault diagnosis system

(a)無(wú)故障傳感器對(duì)應(yīng)的故障指示信號(hào)R5

(b)故障傳感器對(duì)應(yīng)的故障指示信號(hào)R3圖3 傳感器故障診斷系統(tǒng)結(jié)果Fig.3 Results of sensor fault diagnosis system

由上述結(jié)果可知，只存在某一類故障時(shí)，每類故障對(duì)應(yīng)的診斷系統(tǒng)均能準(zhǔn)確診斷出故障,但當(dāng)氣路故障和傳感器故障均存在時(shí)，彼此影響各自故障診斷系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果。究其原因，一方面是由于兩類故障耦合，難以分離，另一方面是由于兩個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，均基于另一類無(wú)故障假設(shè)。因此，在實(shí)際診斷中需考慮兩類故障耦合效應(yīng)，一方面要利用故障特性，排除一類故障干擾，另一方面在確定一類故障嚴(yán)重程度基礎(chǔ)上，更新另一診斷系統(tǒng)。兩個(gè)系統(tǒng)需各自改進(jìn)，協(xié)同合作。

2.2 耦合故障診斷模型

氣路故障和傳感器故障在實(shí)際檢測(cè)時(shí)可能都存在，兩類耦合故障如果不能有效識(shí)別和隔離，不利于燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行狀態(tài)控制，甚至發(fā)生運(yùn)行事故。

以軟故障和硬故障分類方法為依據(jù)，燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)中的傳感器故障主要分為幅度固定的偏置故障和隨時(shí)間變化的漂移故障兩種故障模式[22]。本文主要針對(duì)傳感器偏置故障和氣路故障并存的情況(圖3中12～20 s所示階段)進(jìn)行研究。由于部件性能退化緩慢，故認(rèn)為在一段運(yùn)行周期內(nèi)不同工況下健康參數(shù)保持不變，同時(shí)傳感器偏置故障的偏置幅度受工況變化影響較小。基于此，在不同工況條件u1和u2下，燃?xì)廨啓C(jī)測(cè)量參數(shù)y1和y2如下：

y1=h(x1,p,u1)+δ

(9)

y2=h(x2,p,u2)+δ

(10)

其中，δ為傳感器的故障偏置幅度。兩式相減得：

y1-y2=h(x1,p,u1)-h(x2,p,u2)

(11)

由式(11)可知，采用不同工況測(cè)量參數(shù)相減的方式可以消除傳感器故障偏差δ，則氣路故障診斷問題可轉(zhuǎn)化為下式表達(dá)的工況變化下的非線性辨識(shí)問題：

(12)

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)氣路和傳感器耦合故障診斷模型Fig.4 Gas path and sensor coupling fault diagnosismodel for gas turb ine

(1)獲得不同工況下的燃?xì)廨啓C(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)y1和y2，計(jì)算工況變化導(dǎo)致的測(cè)量變化量Δy。

(3)根據(jù)上述隨時(shí)間遞推的健康參數(shù)，不斷更新傳感器診斷系統(tǒng)中各個(gè)濾波器中的狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)任意選取一個(gè)工況下的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)濾波器對(duì)應(yīng)的WSSR值Ri。

(4)Ri進(jìn)入閾值判斷模塊，確定故障傳感器位置。圖4中傳感器診斷系統(tǒng)是單故障傳感器診斷原理圖，多故障傳感器原理圖可參考文獻(xiàn)[22]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)故障數(shù)據(jù)較難獲得，一方面由于故障的形成需要較長(zhǎng)的時(shí)間，另一方面不可能對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)造成破壞去獲取故障數(shù)據(jù)。為此，國(guó)內(nèi)外廣泛采用仿真模型產(chǎn)生故障數(shù)據(jù)。本文以上文介紹的三軸式燃?xì)廨啓C(jī)為對(duì)象，基于MATLAB平臺(tái)建立該燃機(jī)的部件級(jí)仿真模型，已經(jīng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，具有較高精度[15]，該仿真模型可有效替代實(shí)際的燃?xì)廨啓C(jī)。根據(jù)文獻(xiàn)[23]，將仿真模型的健康參數(shù)減小1%～5%可獲得氣路故障的典型樣本。本文采用此方式產(chǎn)生氣路故障數(shù)據(jù)。

本節(jié)對(duì)提出的基于多工況運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī)氣路和傳感器耦合故障診斷模型進(jìn)行驗(yàn)證。在MATLAB平臺(tái)分別進(jìn)行下面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：①單氣路部件故障和單傳感器故障診斷;②多氣路部件故障和多傳感器故障診斷。

3.1 單氣路部件故障和單傳感器故障診斷

燃?xì)廨啓C(jī)植入如下故障：低壓壓氣機(jī)流量系數(shù)W1減小3%，效率系數(shù)E1減小2%；排氣溫度T9發(fā)生偏置故障，偏置幅度為1%。針對(duì)上述故障，提出的耦合故障診斷模型的檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，其中無(wú)故障傳感器對(duì)應(yīng)的故障指示值只展示低壓壓氣機(jī)出口壓力p21對(duì)應(yīng)的WSSR值R5，其他無(wú)故障傳感器的Ri值與之類似。

(a)氣路健康參數(shù)估計(jì)結(jié)果

(b)低壓壓氣機(jī)出口壓力傳感器對(duì)應(yīng)的故障指示信號(hào)R5

(c)動(dòng)力渦輪出口溫度傳感器對(duì)應(yīng)的故障指示信號(hào)R10圖5 單氣路部件故障和單傳感器故障診斷結(jié)果Fig.5 Single gas path component fault and singlesensor fault diagnosis results

由圖5a可知，提出的模型在單部件氣路故障和單傳感器故障并存時(shí)，依然能夠較為準(zhǔn)確地估計(jì)部件健康參數(shù)的變化，這主要是由于UKF采用多工況引起的變化值來(lái)跟蹤燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行狀態(tài)，消除了傳感器偏置故障的影響。由圖5b、圖5c可知，第10個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的指示信號(hào)R10大多都在故障檢測(cè)閾值以下，而其他傳感器對(duì)應(yīng)的指示信號(hào)Ri值均高于閾值(只展示了R5)，根據(jù)單傳感器故障診斷邏輯可以判斷出第10個(gè)傳感器(動(dòng)力渦輪出口溫度傳感器)發(fā)生了故障。

3.2 多氣路部件故障和多傳感器故障診斷

(a)氣路健康參數(shù)估計(jì)結(jié)果

(b)低壓壓氣機(jī)出口壓力對(duì)應(yīng)的故障指示信號(hào)L5

(c)低壓軸轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的故障指示信號(hào)L1

(d)低壓渦輪排氣壓力對(duì)應(yīng)的故障指示信號(hào)L10圖6 多氣路部件故障和多傳感器故障診斷結(jié)果Fig.5 Multiple gas path component fault and multiplesensor fault diagnosis results

燃?xì)廨啓C(jī)植入如下故障：高壓壓氣機(jī)流量系數(shù)W2減小3%，效率系數(shù)E2減小2%；高壓渦輪流量系數(shù)W3減小3.5%，效率系數(shù)E3減小1%。另外nL發(fā)生0.8%偏置故障，T9發(fā)生1%偏置故障。圖6所示為提出的耦合診斷模型的診斷結(jié)果，其中只展示了無(wú)故障傳感器對(duì)應(yīng)的故障指示值L5。

由圖6a可知，通過(guò)多工況運(yùn)行數(shù)據(jù)消除傳感器故障信號(hào)影響后，燃?xì)廨啓C(jī)氣路和傳感器耦合故障診斷模型可以較為準(zhǔn)確地估計(jì)健康參數(shù)。其中低壓壓氣機(jī)流量系數(shù)W2和高壓渦輪效率系數(shù)E3估計(jì)結(jié)果與真實(shí)衰退程度存在少許誤差，這是因?yàn)轳詈显\斷模型涉及兩個(gè)工況下非線性模型誤差，系統(tǒng)精度比原系統(tǒng)精度有所降低，但不影響最終故障檢測(cè)與診斷的結(jié)果。由圖6b～圖6d可知，L1和L10均超過(guò)閾值，而其他故障指示信號(hào)類似于L5，均未超過(guò)閾值。根據(jù)多傳感器診斷邏輯可以判斷第1個(gè)傳感器(低壓軸轉(zhuǎn)速傳感器)和第10個(gè)傳感器(低壓渦輪排氣壓力傳感器)發(fā)生了故障，同時(shí)也表明提出的模型在氣路健康參數(shù)存在一定估計(jì)誤差情況下，依然可以正確診斷出故障傳感器。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)耦合故障下單一診斷系統(tǒng)性能不佳的問題，提出了一種氣路與傳感器耦合故障診斷模型。首先，無(wú)跡卡爾曼濾波器通過(guò)跟蹤工況變化引起的測(cè)量變化量，排除傳感器故障干擾，實(shí)現(xiàn)氣路健康參數(shù)的估計(jì)。同時(shí)，根據(jù)獲得的健康參數(shù)不斷更新傳感器診斷系統(tǒng)中各濾波器的狀態(tài)參數(shù)，以識(shí)別故障傳感器。最后，對(duì)某典型三軸式燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行故障診斷實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：提出的耦合故障診斷模型不僅可以避免雙診斷系統(tǒng)的交替運(yùn)行，而且不需要數(shù)據(jù)之間存在冗余關(guān)系就可以并行檢測(cè)和隔離氣路故障和傳感器故障。該模型具有對(duì)單氣路和單傳感器并存故障以及多氣路和多傳感器并存故障的耦合診斷能力。

本文提出的耦合故障診斷模型主要解決氣路故障和傳感器偏置故障并存的診斷問題，對(duì)氣路故障和傳感器漂移故障并存的情況不適用。在之后的工作中，需針對(duì)傳感器漂移故障特性進(jìn)一步展開研究，從而對(duì)其進(jìn)行隔離并排除對(duì)氣路診斷的影響。