雙容水箱系統的故障檢測虛擬仿真實驗平臺設計

盛 立， 周東華， 高 明

(1. 中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 山東 青島 266580; 2. 清華大學 自動化系， 北京 100084)

虛擬仿真技術探索與實踐

雙容水箱系統的故障檢測虛擬仿真實驗平臺設計

盛 立1， 周東華2， 高 明1

(1. 中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 山東 青島 266580; 2. 清華大學 自動化系， 北京 100084)

基于LabVIEW和A3000過程控制實驗裝置，設計了雙容水箱故障檢測虛擬仿真實驗平臺，建立了雙容水箱的線性數學模型。以A3000水箱系統為仿真對象，利用LabVIEW軟件開發實驗平臺的操作面板與后臺程序，實現了雙容水箱系統的故障模擬與檢測功能。通過實例說明了此實驗平臺的運行過程。

雙容水箱； 故障檢測； 仿真實驗平臺； LabVIEW

通過對復雜的現代化工業生產系統進行故障檢測，可以判定系統是否發生了故障，這對保證系統的可靠性與安全性具有重要的意義[1-2]。水箱系統由于結構簡單、操作方便，在“自動控制原理”等自動化專業本科課程的實驗教學中得到了廣泛的應用[3-4]。但目前針對雙容或三容水箱的實驗大多是水箱的液位控制[5-7]，較少涉及水箱系統的故障檢測。筆者基于LabVIEW仿真軟件和A3000過程控制實驗裝置，設計了雙容水箱的故障檢測仿真實驗平臺。LabVIEW是一種圖形化開發軟件[8-10]，包含豐富的數學運算模塊和圖形界面模塊，可以通過這些模塊與Matlab等仿真軟件連接，使實驗教學直觀、形象；A3000過程控制實驗裝置[11]是以流程工業現場設備為背景，結合自動化專業教學需求和自動化工程師認證技能要求的實驗培訓平臺。本文以中國石油大學(華東)過程控制實驗室的A3000實驗裝置為研究對象，通過建立其線性化數學模型，并通過實驗數據計算出模型參數；以建立的線性模型為基礎，利用LabVIEW設計故障檢測仿真實驗平臺；通過仿真實例演示了該實驗平臺的運行過程。

該實驗平臺可以模擬水箱系統的泄漏故障、執行器故障與傳感器故障，并可以通過系統的殘差信號檢測出上述故障。該實驗平臺的設計立足于教學大綱且貼近工程實際，有利于幫助學生了解自動化專業中的實際工程問題，激發學生對自動化學科前沿熱點問題的研究興趣。

1 系統故障模型及故障檢測原理

1.1 系統故障模型

雙容水箱液位控制系統工藝結構如圖1所示。

圖1 雙容水箱液位控制系統工藝結構

該系統第一和第二水箱的液位分別為H1和H2；第一水箱入水量為Qi，出水量為Q12；第二水箱入水量為Q12，出水量為Qo；兩個水箱的橫截面積均為S；閥門管道上的流量Qi與控制變量u的關系為Qi=ku×u，ku為流量系數。選取H1和H2為狀態變量，控制變量u為輸入變量，H2為輸出變量。根據物料平衡原理建立該二階水箱的數學模型

(1)

(2)

式中：

針對式(2)，采用如下具有故障的系統模型：

(3)

式中：Bf,D為已知的具有合適維數的矩陣，f(t)為需要檢測的標量故障信號。通過選擇適當的矩陣Bf和D，式(3)可以描述系統發生泄漏故障、執行器和傳感器故障。例如：當Bf=-B,f(t)=0.1時，式(3)可以表示系統發生了執行器偏差故障。

1.2 故障檢測原理

基于狀態觀測器的故障檢測的基本原理[12]，設計了如下故障檢測濾波器：

(4)

(5)

同時，有r(t)=Ce(t)。選擇適當的增益矩陣L使A-LC的特征值均具有負實部。當系統正常工作時，估計誤差系統是漸近穩定的，此時的殘差信號為零；當系統出現故障時，估計誤差系統不再漸近穩定，殘差信號不再等于零。因此，殘差可以反映系統的故障信息，可以通過分析殘差信號的變化來判斷系統是否發生了故障。

2 故障檢測實驗平臺設計

基于LabVIEW與A3000實驗裝置設計了雙容水箱故障檢測仿真實驗平臺。A3000過程控制實驗系統的對象系統主要包括3個水箱、管路系統和電氣控制柜等。仿真實驗平臺設計中主要用中、下2個水箱進行故障檢測實驗。

仿真實驗平臺總體框架結構如圖2所示，包括操作面板和后臺程序。操作面板用于展示A3000的工藝流程、參數設置和故障檢測的效果，后臺程序用于實現系統的仿真運行。

圖2 仿真實驗平臺框架結構圖

2.1 操作面板設計

用LabVIEW中的各種控件繪制A3000的工藝流程圖。為了設定系統初始參數和保證系統的穩定運行，在操作面板中添加了參數設定及控制模塊；為了模擬泄漏故障、執行器故障和傳感器故障，添加了故障模擬參數設定模塊，該模塊可以設定故障發生的時刻和故障大小。在操作面板中設置液位顯示模塊與故障檢測模塊，分別用來顯示水箱的液位曲線和殘差曲線。在系統發生故障時，故障報警燈可以及時提示操作人員發現故障和排除故障。

設計完成后的雙容水箱故障檢測仿真實驗平臺操作面板如圖3所示。

2.2 后臺程序框圖設計

程序框圖的設計采用模塊化編程的方法。程序框圖主要包含PID控制模塊和水箱模塊。首先，打開函數選板，添加while循環；然后，在此while循環中分別編寫PID控制模塊和水箱模塊。

以PID控制模塊的程序框圖設計為例(見圖4)，在while循環中添加條件結構，通過PID開關控制該模塊是否運行。在條件結構中編寫增量式PID算法：

Δuk=Kp(ek-ek-1)+Kiek+Kd(ek-2ek-1+ek-2)

式中：Δuk為控制量的增量，Kp,Ki,Kd分別代表比例、積分和微分系數，ek,ek-1,ek-2分別表示第k,k-1,k-2時刻的估計誤差。

在條件結構中編寫增量式PID算法，給定初始條件；在條件結構的外部添加輸入節點和輸出節點，分別用來設置參數和輸出水箱的控制信號。在后臺程序框圖設計完成后，與操作面板連接調試，最后形成雙容水箱故障檢測仿真實驗平臺。

圖3 雙容水箱故障檢測仿真實驗平臺操作面板

圖4 PID控制模塊程序框圖設計

2.3 實驗平臺的特色

(1) 基于A3000實驗裝置開發，實驗設計與實驗過程更貼近實際工程。

(2) 使用LabVIEW虛擬仿真軟件進行設計，方便學生對后臺程序修改，使用不同的控制方法實現水箱的液位控制。

(3) 可以模擬水箱系統中的某些故障，通過殘差分析實現對故障的檢測，有助于學生了解動態系統故障檢測的基本原理。

3 系統仿真實驗研究

(6)

設計狀態觀測器增益陣L=(1.008 3 2.006 5)T，使上述系統對應的誤差系統(式(5))穩定。系統正常工作時殘差響應曲線仿真結果如圖5所示：

圖5 第二個水箱正常工作時殘差響應曲線

由圖5可知，殘差曲線在系統穩定之前會出現一定的波動，在系統穩定之后殘差一直為零，由此可以判斷系統沒有故障發生。

利用該故障檢測虛擬仿真實驗平臺給出2類故障的模擬與檢測。

(1) 泄漏故障的模擬與檢測。在式(3)中，令Bf=(0 -1)T，D=0，f(t)=0.01，則可以模擬第二個水箱發生幅值為0.01的泄漏故障，并假設故障發生在t=500 s。由估計誤差式(5)與上述給出的觀測器增益矩陣L，可得殘差響應曲線如圖6所示。由圖6可知，在t=500 s時，系統的殘差出現波動，且在以后的時間里殘差不再為零，檢測出系統發生故障。

圖6 發生泄漏故障時殘差響應曲線

(2) 執行器故障的模擬與檢測。在式(3)中，令Bf=-B，D=0，f(t)=0.2，則可以模擬系統執行器的偏差故障，其輸出效果只有原來的80%，并假設故障發生在t=500 s。由式(5)與給定的觀測器增益矩陣L，可得殘差響應曲線如圖7所示。由圖7可知，在t=500 s時系統的殘差出現波動，并且不能恢復到零，檢測出系統發生故障。

圖7 發生執行器故障時殘差響應曲線

由以上的分析可知，當系統出現故障時，該仿真實驗平臺能夠通過分析殘差曲線，快速檢測出系統的故障，驗證了該實驗平臺對故障檢測的有效性。如果要判斷系統發生故障的位置與大小，可以啟發學生對故障分離與故障估計進行進一步的學習。

4 結語

基于LabVIEW與A3000實驗裝置開發的雙容水箱故障檢測實驗平臺可以直觀、形象地顯示水箱系統的故障檢測過程。該平臺的后臺程序框圖設計采用LabVIEW的仿真與控制模塊搭建，方便學生進行操作與修改。該虛擬仿真平臺豐富了自動化專業的實驗教學內容，方便學生了解自動化專業相關的研究熱點，有助于激發學生的學習興趣與培養學生的創新能力。

References)

[1] 周東華,胡艷艷.動態系統的故障診斷技術[J].自動化學報,2009,35(6):748-758.

[2] 彭開香,馬亮,張凱.復雜工業過程質量相關的故障檢測與診斷技術綜述[J].自動化學報,2017,43(3):349-365.

[3] 胡壽松.自動控制原理[M].6版.北京:科學出版社,2013.

[4] 戴連奎,于玲,田學民,等.過程控制工程[M].3版.北京：化學工業出版社,2012.

[5] 蔣建波,苗愛敏,李鵬,等.雙容水箱模糊Smith時滯補償控制系統混合實驗平臺設計[J].實驗技術與管理,2017,34(1):84-89.

[6] 黃愛元,邵根富,黃國輝.三容水箱液位控制系統建模與仿真[J].實驗室研究與探索,2016,35(1):76-79,186.

[7] 高興泉,王英輝,劉光平.基于虛擬現實的雙容水箱動態仿真系統開發[J].實驗技術與管理,2013,30(1):97-100.

[8] 韋青燕.基于LabVIEW和Multisim的串聯校正實驗軟件平臺開發[J].實驗室研究與探索,2015,34(2):128-131.

[9] 康守強,王玉靜,王鵬,等.基于LabVIEW的網絡實驗平臺設計[J].實驗技術與管理,2016,33(1):72-74.

[10] 袁小平,金鵬,蔣碩，等.基于LabVIEW的遠程虛擬實驗室建設與應用[J].實驗技術與管理,2016,33(12)：114-117.

[11] 麥雪鳳.基于A3000過程控制裝置的智能控制系統[J].化工自動化及儀表,2013,40(6):706-709,719.

[12] Ding S X. Model-Based Fault Diagnosis Techniques: Design Schemes, Algorithms, and Tools[J].IFAC Papers On Line, 2016, 49(15):50-56.

Design of virtual simulation experimental platform for fault detection of double-tank system

Sheng Li1, Zhou Donghua2, Gao Ming1

(1. College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2. Department of Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

A virtual simulation experimental platform for the fault detection of the double-tank system is designed on the basis of the LabVIEW and A3000 process control experimental device, and the linear mathematical model of the double-tank system is established. By taking the A3000 tank system as the simulation object, the operational panel and the background program of the experimental platform are developed by using the LabVIEW software, and the fault simulation and the detection function of the double-tank system are realized. The operational process of the experimental platform is illustrated by examples.

double-tank; fault detection; simulation experimental platform; LabVIEW

TP391.9

A

1002-4956(2017)10-0098-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.025

2017-04-14

國家自然科學基金項目(61773400, 61573377)

盛立(1982—)，男，山東萊陽，博士，副教授，主要研究方向為隨機系統、網絡化控制系統和故障診斷

E-mail：victory8209@163.com

周東華(1963—)，男，江蘇江陰，博士，教授，教育部高等學校自動化類教學指導委員會主任，“控制科學與工程”國務院學科評議組成員，主要研究方向為故障診斷與容錯控制.

E-mail：zdh@mail.tsinghua.edu.cn