船用蒸汽發生器給水系統的容錯控制

趙淑琴，張永生

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

船用蒸汽發生器給水系統的容錯控制

趙淑琴，張永生

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

為提高二回路控制系統的可靠性，以蒸汽發生器給水系統為對象，設計基于BP神經網絡的水位容錯控制系統。利用Matlab/Simulink仿真平臺，建立容錯控制仿真模型，并與蒸汽發生器的集總參數仿真模型聯合，分別對水位傳感器恒偏差、恒增益和卡死故障進行仿真測試。仿真結果表明，容錯控制系統的故障診斷模塊能夠準確、迅速地診斷出傳感器故障并啟動容錯控制模塊進行容錯控制，使得蒸汽發生器的水位能夠穩定在設定值附近，系統運行穩定。基于BP神經網絡的容錯控制系統對于修正蒸汽發生器水位傳感器的故障有效，可用于蒸汽發生器給水控制系統的設計，提高系統的可靠性。

蒸汽發生器；給水；容錯控制

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.032.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：趙淑琴，張永生.船用蒸汽發生器給水系統的容錯控制［J］.中國艦船研究，2016，11（2）：117-120，138.

ZHAO Shuqin，ZHANG Yongsheng.Fault tolerant control of the water-feeding system of steam generators［J］.

Chinese Journal of Ship Research，2016，11（2）：117-120，138.

0　引　言

容錯控制是指系統在發生故障的時候，能夠自動補償故障的影響，維護系統的穩定，盡可能快地恢復系統在發生故障前的性能，從而保證系統運行穩定、安全可靠［1-2］。根據系統中處理故障和冗余的不同方式，容錯控制系統分為被動容錯系統和主動容錯系統。被動容錯控制系統多采用魯棒控制技術，系統可能發生的故障作為先驗知識在系統設計中進行考慮；主動容錯設計算法能自適應在線辨識故障參數，或利用故障診斷獲取系統故障信息，通過故障信息來重組系統控制行為［3-8］。

本文采用船用動力裝置的實際設計數據對在Matlab/Simulink仿真平臺上建立的二回路系統蒸汽發生器集總參數模型［9］進行修正，在三沖量控制［10］的基礎上設計基于BP神經網絡蒸汽發生器的主動容錯水位控制系統，并分別對水位傳感器的恒偏差、恒增益以及卡死3種故障下主動容錯控制系統的有效性進行了仿真驗證。

1　控制系統設計

1.1容錯控制原理

傳統的蒸汽發生器三沖量水位控制由2個閉合的反饋回路及一個前饋部分組成，包含2個調節器，水位PID及給水PID，其原理如圖1所示。

圖1　傳統三沖量PID控制原理圖Fig.1　Principle diagram of the traditional three impulse PID control

圖1中α1，α2，α3分別為蒸汽流量傳感器、給水流量傳感器和水位傳感器。主調節器的任務是根據水位偏差信號及時校正水位，使穩態時的水位等于給定值；副調節器的任務是根據給水流量與蒸汽流量的偏差及時改變給水流量，使給水流量迅速跟隨蒸汽流量的變化，及時減少水位波動。

三沖量控制能夠可靠工作的前提是系統的所有傳感器能夠正常工作。當傳感器發生突發性故障時，如水位傳感器故障，將使測量信號產生很大波動，進而導致整個控制系統不穩定甚至崩潰。因此，為了提高系統的可靠性，保證在傳感器發生故障的情況下，控制系統仍能夠正常工作，設計了蒸汽發生器水位的主動容錯控制系統，如圖2所示。

圖2　主動容錯控制系統原理圖Fig.2　Schematic diagram of active fault tolerant control system

在盡量不改變系統原有三沖量PID控制結構的基礎上，通過控制律重構來實現容錯控制。當檢測到故障發生時，切換到容錯控制單元，驅動給水閥動作，完成對傳感器的容錯控制，維持系統的穩定運行。

1.2基于控制律重構的容錯控制

單輸入單輸出（SISO）的線性定常狀態反饋控制系統如圖3所示，設Gi（s）為傳遞函數，ki為傳感器增益，i=1，2，…，n。

系統正常時特征方程為

當系統中第i（i=1，2，…，n）個傳感器失效時，系統的特征方程變為

圖3　SISO線性定常狀態反饋控制系統Fig.3　SISO linear constant state feedback control system

第n個傳感器失效時，第n-1個傳感器的反饋增益進行重構，重構控制律為：

系統任意一個傳感器故障后，按照控制律重構后的系統閉環傳遞函數特征方程與重構前的特征方程相同，說明按照式（3）和式（4）對系統進行控制律重構是有效的，能夠維持整個系統的穩定性。在此基礎上加入故障診斷單元，就能實現系統的容錯控制。

1.3容錯控制的實現

容錯控制主要包括故障診斷模塊和容錯控制器模塊。為了保證故障診斷結果的準確性，故障診斷模塊采用“檢測—診斷”兩級診斷模式。檢測級實時在線檢測蒸汽發生器水位傳感器的狀態，當檢測到異常時，向診斷級發出信號，診斷級診斷是否發生恒偏差、恒增益和卡死等故障，將診斷結果提交到容錯控制器模塊進行控制律重構，產生相應的控制輸出，驅動給水調節閥動作，實現蒸汽發生器水位的容錯控制。工作原理如圖4所示。

基于BP神經網絡在Matlab/Simulink仿真平臺上開發蒸汽發生器水位的容錯控制系統。系統處于正常運行狀態時，學習被控對象特性，訓練神經網絡，當系統發生故障時，BP神經網絡學習故障模式，存儲相應的容錯控制策略下的重構控制律，擴展模型庫，提高系統的容錯控制律重構的快速性。

圖4　故障診斷單元原理圖Fig.4　Principle diagram of fault diagnosis unit

2　仿真結果及分析

為驗證蒸汽發生器水位容錯控制器的控制效果，分別計算水位傳感器恒偏差、恒增益和卡死3種故障情況下蒸汽發生器水位隨時間的變化曲線，如圖5～圖7所示。其中，縱坐標為水位的標幺值，即實際值與設計值的比值。

圖5所示為水位傳感器發生恒偏差故障時蒸汽發生器的水位隨時間的變化。首先系統在100%額定工況下穩定運行，450 s時插入水位傳感器恒偏差故障，故障大小為0.15。

圖5　水位傳感器恒偏差故障時的仿真曲線Fig.5　Simulation curve of fault of the constant deviation on water level sensor

從圖5中可以看到，由于系統的動態特性，當水位傳感器發生恒偏差故障后，常規控制器在短時間內水位有一個較大的水位波動，最終在三沖量控制器的作用下穩定在水位傳感器恒增益值附近。容錯控制系統能診斷出水位傳感器發生0.15的恒偏差故障，并啟動容錯控制模塊，使得水位在過渡期的變化趨勢得到了遏制，波動范圍小，并且能夠很快地將水位穩定在設定值附近。

圖6所示為水位傳感器發生恒增益故障時蒸汽發生器的水位隨時間的變化。首先系統在100%額定工況下穩定運行，450 s插入水位傳感器恒增益故障，故障大小為0.42。

圖6　水位傳感器恒增益故障時的仿真曲線Fig.6　Simulation curve of fault of the constant gain on water level sensor

從圖6中可以看到，水位傳感器發生恒增益故障時水位的變化情況與水位傳感器發生恒偏差故障時水位的變化情況類似。在傳感器發生故障時，常規控制無法將水位控制在設定值，而容錯控制能夠很快地將水位調節至設定值附近。

圖7所示為水位傳感器發生卡死故障時蒸汽發生器的水位隨時間的變化。首先系統在100%額定工況下穩定運行，450 s插入水位傳感器卡死故障，即為水位傳感器失效。

從圖7中可以看到，水位傳感器發生卡死故障后常規三沖量控制是毫無作用的，最終會導致控制系統崩潰。而主動容錯控制能夠診斷出傳感器的卡死故障，并啟動容錯控制模塊，能在一定的時間內將水位值穩定在設定值附近。

圖7　兩種控制方法下水位傳感器卡死故障時的仿真曲線Fig.7　Simulation curve of fault of the locked on water level sensor

3　結　語

本文以二回路系統的蒸汽發生器為研究對象，在常規PID控制的基礎上，采用BP神經網絡設計了蒸汽發生器的主動容錯控制系統，針對水位傳感器的恒偏差、恒增益、卡死3種典型故障進行了仿真試驗。結果表明，水位傳感器故障時，傳統的三沖量控制無法將蒸汽發生器的水位維持在設定值。本文所設計的主動容錯控制系統在傳感器發生故障時，能夠及時診斷出故障類型、故障值，并進行容錯控制，使蒸汽發生器的水位維持在設定值附近。基于BP神經網絡的容錯控制系統對于修正蒸汽發生器水位傳感器的故障是有效的。

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Fault tolerant control of the water-feeding system of steam generators

ZHAO Shuqin，ZHANG Yongsheng
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

In order to improve the reliability of the secondary circuit control system，a steam generator is taken in this paper as the research object，and a fault tolerant control system of the water level is according?ly designed based on BP neural network.Fault tolerant control simulation is also conducted on the Matlab/ Simulink platform，where the lumped parameter dynamic models of the steam generator are joined，and the calculated water level of the steam generator，with the fault of constant deviation，constant gain，or locked，is simulated respectively on the water level sensor.The experimental results show that the sensor faults could be diagnosed accurately and rapidly with the fault diagnosis model，and the fault tolerant control should be implemented when sensor faults occur.Meanwhile，the water level of the steam generator could be regulated close to the target value，and the system works steadily.In brief，the proposed fault tolerant control system based on BP neural network is effective to correct the water level sensor fault of the steam generator，and the system can be applied into the design of the steam generator water-feeding control sys?tem，which significantly improves the system reliability.

steam generator；water-feeding；fault tolerant control

U664.11

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.016

2015-04-08網絡出版時間：2016-3-17 10:56

國家部委基金資助項目

趙淑琴（通信作者），女，1978年生，碩士，工程師。研究方向：動力裝置控制與仿真。

E-mail：52228799@qq.com

張永生，男，1982年生，博士，工程師。研究方向：動力裝置控制與仿真。

E-mail：zhang-262519@163.com