解析冗余關系法在柴油機燃油系統(tǒng)故障診斷與隔離中的應用.docx

1、,33卷第3別2D21年6月V01.33No3Jun.2021海軍工卷大學學報JOURNAL0FNAVALUNIVERSITY0FENGINEERINGD01:10.7495/jjssn,10093H6.2021.0S.0I2解析其余關系法在柴油機燃油系®障診斷與隔離中的應用韋春玲，耿供健2（1項岡的范學院物理與電子信息學筒，湖北黃岡438000：2.露軍工程大學艦眼綜合成驗訓緣基虬武漢430D33）揚要：針對柴油M披潔系發(fā)管用復雜、曲障種類多和系繡不麻定性等問題，首先賽出了基于旌臺囹模型的扉析冗余關系法，應用于系繪定量故障軫所與離；妨后，在系發(fā)準合倒徵型基礎上，推導骨到系發(fā)舞析其余

2、關系并也立了系發(fā)故度特II柜陣；最后，在系統(tǒng)曜里的基暗上進行了故障診斷仿真試*,并采用序貫雁率比檢驗（SPRT）方法對我差異常進行在喙監(jiān)即，實現(xiàn)了實時在發(fā)的系統(tǒng)故障診斷與房離。研完弟果袤明：基于程合田模型的摩機冗余關系法能修應用干系統(tǒng)曲障診斷與丹離，并且具有皎高的準精性和實時住，關傍御：斐油機謎油系統(tǒng)；解忻冗余關系；健合圖懾型；SPRT方法中國分類號：TP39I.9文靛林志肖：A攵章弭號：1009-3H6（2021）03-0067-08t翩sbwbwimmwb赫魏瞞i橢潮瞬勰避醐搠忱槌獄期熟撼WEIChunling'GENGHongjian?(1.SChoolofPhysiCsandE

3、leCtroniCInformation»HuanggangNormalUniv.，Huanggang438000，China：2.TrainingCenterforIntegratedShipTrial，NavalUniv.ofEngineering，Wuhan430033China)槌癩旗柄：AimingatthedifiCu11iesofsystemfaultdiagnosisCausedbytheComPlexPipe)ine»multifaultsandsystemuncertainty，anARRmethodbasedonbondgraPhmodelwasPro

4、Posedforquantitalivefaultdiagnosisandisolationofthesystem.BasedonthesystembondgraPhmodel，theARRsofthesystemwerederivedandtheFSMofthesystemwasestablished.Basedonthesystemmodel，thesimulationtestoffaultdiagnosismethodwasCarriedout，andtheresidualdiferenCewasmonitoredonlinebySPRTmethod.Therealtimeonlinef

5、aultdiagnosisandisolationofthesystemwererea1ized.TheresultsshowthattheARRmethodbasedonbondgraphmodeCanbeappliedtosystemfaultdiagnosisandiso1ationandithashighaCCuraCyandrealtimeCharaCteristiC.dieselfuelsystem；ana1ytiCa1redundancyrelations;bondgraphmodel；SPRTmethod艦船動力裝H主要句括以推進系發(fā)為主的主訪力裝置以及部分折助系統(tǒng)，例如燃油系

6、統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等。其中，作仙系照是關健系統(tǒng)之一，為職搬1!供連冀的班浦供給，是動力的根本來源，對其進行狀杰監(jiān)州與故障診斷對于保障規(guī)船動力裝宜安全相定運行具有重要E您油系統(tǒng)管路復雜，模塊眾多，建模第度較大，因此對其進行故障診斷與隔離存在一定的灘度s。目而，針對燃油系統(tǒng)的板障診斷問題，國內(nèi)外主要采用的是基干知識的故障診斷方法，例如版稀日期：20200617;修可日期：202Q0713.基金項目：湖北省教育廳科研基金資助H（B20I8189）.作者橢介：韋春玲（198。），女，副教報，碩土，主要研充方向為系統(tǒng)建筷、仿真與優(yōu)化。il信市省：韋春井，vCI8Cn，I8學學神經(jīng)網(wǎng)

7、絡、故障樹分折”）、支麻向量機S等。這些方法回避了燃油系統(tǒng)建模的間題，主要采用歷史數(shù)向t,a過與故障特此陣進行匹酊，實現(xiàn)系統(tǒng)故障的診斷與隔離。文獻10»于理合圖理論建立了某型規(guī)矗和經(jīng)驗利斷生成用以識別故障的卷*和規(guī)則，其準確性用柴油機嫩油系統(tǒng)健合留模型，研充分折了該懾型在受到了一定限制，并且對于新發(fā)的故障成以軫斷。為了辰多種故障找杰下您油系統(tǒng)參數(shù)的訪態(tài)響應。該慢型具有任故障診斷的誤列率，文獻56利用基于信號it理的方法對燃油系統(tǒng)進行故障診所，通過對信號模型（通常為系統(tǒng)的相關函數(shù)、領誥、自回歸清幼平均等）進行分析，提取特任直，從而識利和剁斷系照所處的狀去，這種方注易于實現(xiàn)，貝不用放為廣

8、泛，但定需要系統(tǒng)精麻的數(shù)學模型，因*6也7-90良甘于其體的故障源卻池以8»因此，針對本文采用基于健合仙的做浙腳疆，網(wǎng)汩機燃油系統(tǒng)健合圖模型基玷之上，分析其因果ffig.通過因果關系轉胃法，推導系統(tǒng)的解析冗余關系（analytiCa1redundancyrelationsARRs）,建立系統(tǒng)板障特JE矩陣（fau1tsignaturematrix，F(xiàn)SM）,再采用序貫Si率比檢驗方法（sequentiaIProbabi1ityratiotest，SPRT）對信號進行分析，判斷殘差是否超出銅值，生成系統(tǒng)故障皎高的芾度和實時性，因此木文將在其基播上，應用解折其余法對柴油機燃油系統(tǒng)進If故

9、障軫斷與隔離應用研究。1IIO余關系分析O®O特卑卑昊，首先需要將系統(tǒng)的ft820«MaIfSI.B1ffi示為系統(tǒng)傳感2BOO1O健合圈模型，筷型中部分容fti件由積分因果關系變?yōu)榱擞忠蚬P系。為方便后豎進行分折，對模型的每個節(jié)點以及功率鍵進行了數(shù)字標注.國1中，虐it唯為因果關系黃置后的傳感器輸入信號，5.-S9S系發(fā)的9個段差信號eit些戰(zhàn)差在系統(tǒng)正常運行的情況下大小都為0或接近于。，一旦系統(tǒng)發(fā)牛.故障，其中的一個或多個成差信號將放為明顯地升高或者降低。高置燃油柜Se:rr,27A。6AC:Ct26截止閥燃油濾器截止閥燃油增壓泵截止閥1io25AR4截止閥、燃油速關

10、閥燃油切斷閥FiCiR2C2Pump)C324Cs!42231燃油艙SeA1|1OjIjl。2一"151'。31I蚪。4”共19I(I13ISe:rt超速安全保護閥燃汕粗濾器燃油粗濾器機帶燃油泵29C4HI1蝕仙系多因果關系鼓置健合國度型Fig.1Causilitjinversionbondgraphmodeloffuelsjslem建立系發(fā)桔阜卑具最重要的步驟是消除節(jié)點方程中所有的未知變量，分射為Oi、O?、Oj、O4、06、O口、。11'。1?和0|3節(jié)點，由南文的理論分折可知，作用在上述節(jié)點的涂變量的大小為0,因此可以得到9個系發(fā)過約束方程，通過消除每個節(jié)點方程

11、中所有未知變量，從而可以得到系境9個解析冗余關系，并且這9個解析冗余關系一定是線性無關的。以0|節(jié)，點的桔罩皋|為例，證明如何根福鏢合留模型的園果跖笆關系推導系統(tǒng)精睪卑具。對于功$#5，有籍房案二的5=0。（1）由錐合圖筷型的國果關系可知構$=構+豹6-豹3。（2）式中：ii=8頊42_陽'場肌sgn=ttn_#1sgn幻=th一幻sgn=6R-?!Sgn(摩it湘縻E-p就-歌頂。二質(zhì)d翻|）.!針6也）融UhTh故翩L翱2）澈勒L翻成；F卜虹,（3）其有2，醇”景|）敏感，即當且僅當上述一個或幾個發(fā)備出現(xiàn)故障時，修早單】才會出現(xiàn)信號波訪，其孫成的故席特低重降中的值從。變?yōu)?。同理，

12、可推導籍串卑2糖罩卑9的表達式分別如下。精瓣一信尊2（翻1，翻2,醐3,禮，案2）；精輯L特麟3（翻2,翻3,鼐4,景？，翻撼M；a式中:和膈_分別為溥器尊頂側基甫涂量系如p為增油密度；猶為日用燃油臉,離增嘛的高度。由式（1）和式（2）可得穩(wěn)夏里d（W,）_sgn（黃丹-隹有）,=tt+11d折小'*2睥<=W牌5=«W幻=<血簾必，物，朝h，翱軸L"痼打，肇，嶷也也，牌亦相機，翻5,呷M3,fflsij*審情遑6*7翱糊2：翻，翻5,翻6,翻酒3,慎"，4,私譚理T，魅亦相，乳'HOFWTI-fisgn（私np醐一翱。修我摩心一p兢一

13、翻成二唇景景I嬸有1滿3"，尊I薄.）。（4）式中：所有變量均為己知變量，并只涉及到S弄3h，算I和摩I的相關參數(shù)或變量（設有實際物理意義）。因此，該桔摩景只對故障候選集（曩見，雋瓣-常野,（勒h，iW,，勒h，俸2,俸Q；倍髀-I輯8（舫h，醐.翻9,尊3,牝）；件SM電9（翻"翻9,執(zhí)，私）。通過分析系統(tǒng)信累單昊，提取鏢油系統(tǒng)尊隹端如表1伽示，表中徵右側兩列精b利Sh分別表示故?？稍\斷性和可隔離性。表I燃油系統(tǒng)故障特fiE如腐H?.1H8W.期M.殿姍林巖泉名累私簫眼景3WE悟景累，輅泉牝箸泉早T斜泉8桔某4號b常b恥11»0001(I010祥肚111D001

14、'011賴3011100t('011m0111111t011mn0i»11I1('010mn0<»11I1('011mn0«»001110I1醐501»00011I1新，0<»000t1100«110Qf('011酰亦«>:01»11If('0I011»000tt0100i»0011p011虹0i100010I1t«.04»11It('0101<»000ti011011000t

15、i0I004»11It('0100i»111f(1010景S0i»11If(10I001»11I1I'0100J11111(10I0景，0i»00011I0卑，04»000tf1112序貫橢率比檢驗方法情時，拒,筆。，接受筆必啊招篇席肇犢W倆時，貧續(xù)檢驗。02SPRT汪程囹Fig2SPRTflowChart在得到系統(tǒng)段差后，需要孫其趨勢進行分折與評估以判斷系統(tǒng)是否己經(jīng)發(fā)生故障或將發(fā)生mo序貫H率比檢驗方法頑（sprt）是一種基于發(fā)計理論的決策，其對信號的故廉檢州所需的平均律本最小，在同律精度下能夠更加快速有效地給出發(fā)展

16、性故障信號的脂示，因此常被用于現(xiàn)場監(jiān)刈與異常隔離。SPRT方法通過分析信號的連續(xù)性來判斷信號是否正常。假設皴】，狡2,）為-組隨機變量，ffl擎。和犁生分別表示檢測的原假設和備擇假設，其中可以是一個或多個。原假設擎。代表系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，其對成的測試信號的均值為0,標準差為0；備擇假設犁-表示系統(tǒng)處于非正常狀態(tài)，測試信號的均值不為0,標準差非0。在SPRT檢驗中，序貫概率比定義為ttw式中：（檢M似然函數(shù)。列序本樣觀-時JX所為«»«a叩示狐表摩Q-f猶CJ,定網(wǎng)放信號服從正志分布犁“，"），B此，在每一時K采集到的信號的極率密度函費為m】,定測試共

17、有5個假設擎。一翠，她各備擇假設如下：星I表示剖試信號均值高于+福，標準差為°犁，表示的試信號均值低于一精，林準差為°犁3表示洲試信號均值不變，標準差示削試信號均值不變，麻準差為狗皺艮如，（n）=|<2TT72則州列整隊相.，的催為8"勺"號將席罩鎖小甥）=y廠蕩禎）。/牝其中，俯和箱分別為自定義的系統(tǒng)干炸度，其大小通常為訓練數(shù)據(jù)標準差的"=£藪>=<=|由式（8）推導可得隹摩翠賺小的遞推公式為SPRT方法的計算式為令*»=)由此類推,席逐破我擎“）1r掐）ss敷成挈°）式中：瓣罩賺為服指麻；為既

18、率比。&PRT利用漏報率0和誤報率6作為原假設閥值參數(shù)的依挹，并有%*=In（_）；d1°I1_（7）ffl=in（P）o«a式中：偌為技受顰確IS；制為拒，翠。闋值。四2為SPRT方法的檢刈過程。檢州過程中，SPRT的每一次更新值都需要與閱值精相省進行比栽，每一次比較形成以下三種結果：©瓣嬲邸桔時，接受翠。，拒,擎猶；nmft2mse昆)=斯摩摩散e奸-1)+-I-L2-1狡WI?。.1,。°=»ln()+CL-5M。圖3為幌出的基于建合圖理論以及障摩景鬣的故障軫斷框架。在州建立系統(tǒng)的鏢臺圖模型以及軫斷建合圖模型之后，先注入相應的故！

19、I,&后利期SPRT檢剖技術對我君信號進行實時監(jiān)州，一旦發(fā)生故障就立即生成常果果具故障向量，將其與系統(tǒng)尊帝輜迎行匹配，從而實現(xiàn)故障的診斷與隔離o03系統(tǒng)故停診斷怔栗Fig.3Frbmeworkofjy$temfaultdiignosis03系統(tǒng)故停診斷怔栗Fig.3Frbmeworkofjy$temfaultdiignosis3故障診斷與隔離系統(tǒng)的仿真分析根格上述仿真推架，tMat1abSimuIinkffiM平臺進行實現(xiàn)。由表1的故磨特！i如陣可以看出，系統(tǒng)中部分元件的故障是可隔離的，而一部分儀是可軫斷的。首先，以燃油增壓民增壓能力下降為例，進行故障診斷與隔離的仿真分析。S置系統(tǒng)的采

20、用頜率為10Hz，采律時間特續(xù)100s，總共費得1000個擇本«81I0為了模技真實情況下糜聲對81量不常定住的散響，所有由傳感器采集的系統(tǒng)模型信號都加入了相成的糜聲污架（ftS4（a）o«聲信號采用白限聲信號，臬聲的抵福為傳惠器輸出的1%，平均H為0。閣4（b）為系統(tǒng)修型中故棒投入翌塊.以麾荏亦卻1增壓能力下牌為也障進行仿真試驗,在If真進行到50s的時候，加入縻油增壓泵增壓能力下降50%的故磨。由于微分計算對于非連續(xù)點是無法計算的，因此在投入故障時，采用Heaviside函效進行平滑處理，條件表達式為AU<AU<79/-X式中：岐E罩?？梢越葹?e-

21、76;式中為平滑系數(shù)。在采集觀洲數(shù)招的同時，SPRT的異常成差在線監(jiān)洲同步進行。由于SPRT方法是通過識別俺即過程的19率分布來判U系統(tǒng)狀本是否昇常，B此能夠有效地降低肢差識圳過程的漏報摹和誤報率。為了降佚佳愿器映聲的污斐，對輸出的戰(zhàn)差信號采用了五，點平清障夏處理。由于辰差的異常主要表現(xiàn)為平均值的儡移，祝河敏據(jù)的方差無變化，因此SPRT監(jiān)瀏過程的備擇假役采用簞I和翠，段段，即制試信號均催高于+精或低于一慌，麻小差為0。其余相關參數(shù)設置如下：漏S?a為。.Qi成）6宰0Ao.OHltOI1為0.05,受異系費信S241,0gOJIOit正規(guī)化到-1.1之間，輸出0表示無S«K系統(tǒng)狀杰，

22、-1表示系統(tǒng)正常，當?shù)禽敵?時，表示系統(tǒng)發(fā)生枚障。(b)故障投入模塊(b)Faultinputmodules囹4白嗪聲干擾及故障授入所現(xiàn)Fig.4Vbitenoiseinterferenceindfaultinputmodules圖5和囹6分期為增壓泵埼壓能力下陣時系統(tǒng)密肇?1臭的箭出喧應和SPRT方法的檢洲緒果。在SPRT抑結果中，嘩私僧輯4的信號從。到一1區(qū)間既升到。到1區(qū)間，故障特征非常明顯。由檢袖偌果可以看出，在枚入增壓泵故窿之后，信翠果3和播卑卑，核及時檢洲出異常，用此可以待到故雨特低向量萄=。，0,1,1，0,0,0,0，。將其與表1所示的尊革慌進行比技可知，該特5E向量與昨a亦卻

23、I的故窿特ii向量和匹配，并且是晚一的，因此可以實現(xiàn)增壓泵故障的診斷與隔離，也證明了本文方法的正ffitt0oi0.004s8<M-0.004卜IiI，00.40.8r/ks(e)AR"Tsbc<935膺壓泵故原悟里筆其用應囹Fig.5甘基早旻responseofboosterpumpfailuref/ksr/kst/ks(a)ARR(b)ARR?(c)ARR，i/ks(f)ARR&lr為了分折不可隔離故障對技差信號的影響,以高置燃油柜泄漏故障為例，進行故障軫斷與隔圖6婚壓泵故障SPRT檢別紿果Fig,6SPRTdetectionresultsofboosterP

24、umpfailure離的仿真試驗，莊折二50s時我入故障，泄漏量為0.5kg/so圖7和國8分期為高置縻油樞it漏故障下系統(tǒng)裙罩累臭的輸出響應和SPRT方法的檢渺結果。00.40.8r/ks有胃爆油柜泄漏枚停悟串累昊響應圖t/ksFig.7HIresponseofhighmountedfueltankleakagefailure(g)ARR1?ESPRT檢曲結果中，唇景景，輅果景s和的信號從。到一1區(qū)間跌升到。到1區(qū)間，國8高置燃油相壯漏故障SPRT檢的，果Fig.8SPRTdeteCtionofhighmountedfueltankleakigefailure故障特5E非常明顯°由

25、檢剖維果可以看出，在投入高,愿油也泄漏故障之后，輅典MWs和桔景翠6嵌及時地檢州出了異常，因此可以得到故障特任向量特=。，0,0,1,1,1,0,0,0。將其與表1所示的修整稀進行比較可帆，與該特低向量相匹配的故障特向量拒陣包括我丹5普拄亦相2,”該故障可診浙，但國與其他郡件有相同的故障特il向量，因此是不可隔離的。4結束語針對艦船動力裝18#系統(tǒng)管路復雜、禎席診斷港度墳大的問題，提出了一種以健合圖模型為基礎，儒合因果珞徑分析法與系統(tǒng)常蕾描進行系發(fā)故庸實時診IB與BJ離的方4該方法充分利用健合囹模型明辟和靈話的因果常徑關系,可直接得到系統(tǒng)府景里具，不需要復雜的費學推導過程，節(jié)省了工作量。以某型

26、柴油機地油系統(tǒng)增壓泵增壓能力下牌和高置故障為例，進行了故障診版仿真試驗，實現(xiàn)了系統(tǒng)故障的修斷與隔離，驗證了本文方法的正«tt.參考文獻（翱mmw:1黃林，程剛，洋偉，等.基于雙超逍山,合囹的氐氣機.建模與仿真冊咒J.海軍工程大學學報，2Q18.30（1）:4652.HUANGLin.CHENGGang.XUWeiretal.ModeIingandsimulationofCompressorbasedonduaiChannelPseudobondgraphj1.JournalofNav3IUniversityofEngineering*2018«30（I）:4652.（inC

27、hinese）2車玉檢.基于神給網(wǎng)絡的斐的機格仙系統(tǒng)故障修斷的研咒和實現(xiàn)D.濟南：山東大學，2D07：912.3BARTLETTLM，HURDLEEE.KELLYEM.Integratedsystemfaultdi8gnostiCsutilisingdigraphandfaulttreebasedaPfroaChesj.ReiabilityEngineering&SystemSafety，2009»94<6）:11071115.4劉循，壬立蘑，申萍，等.丈特向量乩在內(nèi)腰UI車思沽系統(tǒng)故障診臨中的應用J.如車電傳沉2（108（2）：6365.LIUBiao，WANGLid

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