基于关联向量机的气动执行器故障诊查算法概述

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1、基于关联向量机的气动执行器故障诊查算法概述第1章绪论1.1研究背景及意义自工业革命以来，伴随工业的飞速发展，工业自动化程度也日益提高。在自动化领域中，作为一种工业自动化装置，执行器是工业运作中最基本的执行终端。其用途是接收控制系统输出的控制信号，调节被控介质的流量，以使控制系统达到设定目标，从而实现在无人参与的情况下，机械设备能替代人的动作完成设定目标，自动运作。由此看来执行器能否正常工作与生产过程的安全性与可靠性有密切关系。执行器大部分都工作在高温、高压、强腐蚀、强干扰等恶劣环境下，若执行器一旦发生故障，会导致工业

2、运作被迫产生停顿，更严重者其故障会引发灾难。但就国内执行器而言，其技术水平相对于国外仍处于落后状态，已经处于自动化领域的一个瓶颈状态。我国的中高端执行器基本都依赖于进口，这引起了我国科技等部门的高度重视，也引起了我国科学技术人员的深切思考。除了执行器的纯技术外，对执行器故障的检测和诊断这些容易被忽略的范围也成为研究的重点。执行器根据其动力能源形式可分为气动、液动、电动三大类[1]。他们各有自己的优势，适合的工作场合也不同。鉴于气动执行器在工业自动化领域的重要地位，因此将气动执行器单列出来进行研究，下面介绍气动执行器的

3、特点和适应场合。气动执行器（PneumaticActuator）是以洁净压缩空气为动力驱动启闭或调节阀门的执行装置，通过推动薄膜或活塞的移动来驱动阀体运动，控制阀门开度以达到控制的目的。1.2国内外研究现状研究从1999年Clarke教授提出自确认执行器概念以来，针对自确认执行器研制开发研究最多的还是牛津大学的控制工程研究室的学者，其他各国学者更多的致力于执行器故障检测、诊断算法的研究。1999年Clarke教授在提出自确认执行器概念的同时研制了一种自确认阀门[1,4]，在Alsop实现的智能阀门[5]平台上，实现了

4、对于阀门非线性特性(死区、饱和、回滞)的补偿，并且给出确认的控制输出，控制输出误差，阀门状态等自确认信息。但并没有实现阀门故障的自检测和自诊断。随后Clarke和Tombs研究了自确认阀门在控制回路自确认和工厂生产过程自确认中的应用[6-8]。目前国内自确认执行器的相关文献和研究报导还很少。对于执行器，快速有效的故障检测和诊断算法是实现自检测，自诊断的核心技术，下面就从执行器故障检测和诊断方面来论述国内外的研究现状。执行器故障诊断算法可分为基于解析模型的方法、基于信号处理的方法[5]、基于知识的方法[3,9]。由于基

5、于关联向量机的执行器故障诊断算法有较高的实用价值，将其单独列出。.第2章自确认气动执行器结构及常见故障描述2.1自确认气动执行器结构气动执行器由三部分组成，分别为气动执行机构(PnematicServoMotor)、阀门定位器(Positioner)、调节阀(Valve)。图2.1为传统三组件式气动执行器结构和自确认气动执行器结构。传统三组件式气动执行器工作原理为阀门定位器接收控制器的控制信号，并把当前的定位器输出作用到气动执行机构从而驱动阀杆运动，阀杆的位置信号又通过装置反馈给阀门定位器，由此构成闭环控制，以控制调

6、节阀中流体流量。气动执行器接受输入气压信号，推动阀杆运动，阀芯连同阀杆运动，改变阀芯和阀座之间流通面积，从而改变被调节介质流量。为了实现气动调节阀故障的自检测和自诊断，分析气动调节阀的结构特性，结合其各种故障模式的影响变量，研究在气动调节阀中设置测点的类型、数目、位置方案，为实现气动调节阀的自确认奠定基础。本文在原有三组件式气动执行器阀体位置增加温度、流量和压力传感器，即当定位器输出执行到气动执行机构，驱使阀杆运动之后，不但阀杆的位置信号反馈到阀门定位器，介质温度、流量、阀前压力和阀后压力的信号也同样反馈到定位器，此

7、时我们称接受多种信号的定位器为自确认单元。为调节阀的的状态监测提供冗余信息。.2.2自确认气动执行器常见故障描述当执行器正常运作时，可以保持连续并完成相应指定的指标，同时给定的各参数也会维持在相应正常的范围内，此种状态称为无故障状态，但执行器的此种状态被打破或当性能受损时就会发生故障。文献[30]总结了19种故障，分别如下表2.1。表中展示了19种典型故障的故障名称和对故障的描述。这19种故障从性质上分可以分为：渐变性故障、跳变性故障、完全失效故障[30]。渐变性故障产生时现象不明显，不易被发现，其变化比较缓慢，对控

8、制系统损坏程度相对不大，但当累计到一定量时，就会产生明显的现象。由此可见渐变性故障是产生重大灾害性故障的预兆，为预防灾难发生，对渐变性故障的检测和诊断也尤为重要。跳变性故障则不同于渐变性故障，故障特性发生并不是缓慢进行，而是发生阶跃性的变化。这类故障没有缓冲时间，直接影响执行器运作。完全失效性故障类似于跳变性故障，是跳变性故障的一种极限形式，例