基于测试性建模的调距桨装置电液系统故障诊断_郜超见.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 98 基于测试性建模的调距桨装置 电液系统故障诊断 基于测试性建模的调距桨装置 电液系统故障诊断 郜超见，陈 伟，娄 康，付黄龙（上海船舶设备研究所，上海 200031）摘 要：摘 要：从调距桨装置电液系统测试性分析出发，开展调距桨装置电液系统诊断策略优化研究，使用基于故障概率和信息熵的Rollout 算法进行测试序列优化，最终形成一套基于测试性建模的调距桨装置电液系统离线式故障诊断系统，在调距桨装置电液系统试验台架上完成验证，可以正确定位模拟故障，具备指导用户进行现场故障诊断与定位的能力。关键词：关键词：调距桨；电液系统；故障诊断；测试性建模 中图分类号：中图分类号：U665.26 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.15 Fault Diagnosis of Electro-Hydraulic System of Controllable Pitch Propeller Based on Testability Model GAO Chaojian,CHEN Wei,LOU Kang,FU Huanglong(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)Abstract:Starting from the testability analysis of the electro-hydraulic system of the controllable pitch propeller device,the research on the diagnosis strategy optimization of the electro-hydraulic system of the controllable pitch propeller device is carried out.The Rollout algorithm based on fault probability and information entropy is used to optimize the test sequence,and finally a set of off-line fault diagnosis system for the electro-hydraulic system of controllable pitch propeller device is formed based on testability modeling.The verification is completed on the electro-hydraulic system test bench of the controllable pitch propeller device,which can correctly locate and simulate the fault,and has the ability to guide users to conduct on-site fault diagnosis and positioning.Key words:controlled pitch propeller;electro-hydraulic system;fault diagnosis;test modeling 0 引言引言 调距桨电液系统是船舶动力装备的核心子系统，其性能直接影响调距桨装置的调距和稳距性能、控制精度以及系统的可靠性1-2。随着调距桨装置使用数量和使用强度的大幅提升，设备故障出现的频率和风险越来越高，出现故障后会出现难以及时准确定位、处置措施缺乏以及无法对潜在故障风险进行预判的问题。由于船舶出海时间长、工作环境恶劣和调距桨装置固有的非线性和参数不确定性，调距桨装置出现故障后常常难以准确定位故障，无法采取正确处置措施，缺乏对潜在故障风险的预判，所以亟待开展调距桨装置电液系统故障诊断研究，实现装置运行维护和检修作业的智能引导，提高现场故障处置能力。目前国内外主要的调距桨研究主要集中在调距桨装置基础功能和技术性能的提升，在故障诊断方面开展的研究较少，目前仍未有可以应用于工程实践的调距桨装置电液系统故障诊断系统3。常见故障诊断方法可分为基于模型的故障诊断、基于专家系统的故障诊断和基于数据挖掘的故障诊断4-6。基于测试性建模的故障诊断方法是基于模型的一种诊断方法，有着不依赖于历史数据、可以通过离线式测点完成诊断、用户使用门槛低等特点，适合于调距桨装置电液系统的故障诊断研究7-9。收稿日期：2022-10-14；修回日期：2022-11-17 作者简介：郜超见（1999），男，硕士研究生。研究方向：船舶调距桨。郜超见等，基于测试性建模的调距桨装置电液系统故障诊断 99 本文从调距桨装置的实际使用条件出发，开展调距桨装置测试性建模与故障诊断测点分析，并使用基于故障概率和信息熵的滚动（Rollout）推理算法进行诊断策略优化，并在此基础上结合调距桨装置设计、维护与保障经验，设计完成一套离线式调距桨装置电液系统故障诊断系统。1 调距桨装置电液系统测试性分析调距桨装置电液系统测试性分析 首先建立调距桨装置电液系统测试性模型，分析电液系统各个部件在设计和制造过程中所有可能的故障原理及影响，并以此进行故障分析及测试性分析。以实际电液系统的组成、结构和连接关系为基础，进行测试点优选计算，并在建模工具的支持下完成测试准确率、故障隔离率和测试模糊组等内容的分析。调距桨电液系统测试性建模流程见图1。图 1 调距桨电液系统测试性建模与故障测点分析流程 将电液系统分解为各个最小可更换单元，并列出故障模式及其对应物理量。以调距桨电液系统的故障模式为出发点，将实际电液系统所有测试点和故障现象作为模型测点，所有电液系统功能作为模型信号，构成测点与功能的对应关系，再以测试点缩小诊断范围，进而确定故障元器件。通过反复测试和优化，建立符合期望测试特性的电液系统模型，并为电液系统的故障诊断设计和优化提供明确的指导。对电液系统功能和结构进行划分，完整建立系统内电液系统的模块层次和隶属关系、功能及故障的传递关系，结合可用离线式测试点建立测试性模型，在电液系统可开展测试的位置布置测试点，设置测试点的测试属性，主要包括测试参数、测试方法、测试图文指导信息、测试可判决的功能和信号等。基于测试性建模方法可较好地分析调距桨电液系统的测试性指标，并可根据测试性分析结果调整测试点的布局和测试属性，从而确保在期望的测试偏好和测试代价的前提下开展测试工作，定位并隔离故障单元。图 2 为调距桨电液系统分层次模型总图，将调距桨电液系统测试性模型分解成了供电单元、自动控制单元、手动控制单元、液压系统单元、调距机构单元、备用泵电机启动箱和提升泵电机启动箱。划分层级后根据测试性模型的故障模式与测试点对应表，新建测试点，在测试点中添加测试项目，并将测试信息表所填信息作为该测试项目的设置测试方法、测试级别、测试成本和时间等信息。再根据故障模式与测试点的关系，分配该测试点可关联的故障模式，建立不同元件故障模式之间的连接，如果不分配故障模式，则按照模型图的连接决定该测试可测到的故障模式，至此完成调距桨电液系统测试性模型建立。图 2 调距桨电液系统分层次模型总图 2 调距桨装置电液系统诊断策略优化调距桨装置电液系统诊断策略优化 根据第 1 节的测试性建模与测点分析结果，在故障现象与故障原因之间建立起一系列对应关系。测试性模型建立后，可将测试模型数据导出，得到描述系统的故障诊断矩阵、测试资源文件和测试描述文件。调距桨装置电液系统故障诊断矩阵是 1 个规模较大的二维矩阵，矩阵中的1 行对应到1 个基本的现场可更换单元（如 PLC 模块、隔离模块、比例阀等），1 列船舶动力、推进装置和辅机设备 100 对应1 种测试行为（如测试点的电压、电流、压力等）。矩阵表示的是调距桨电液系统测试点与对应故障模式的依赖关系，联系了调距桨电液系统测试性模型与故障诊断，涵盖了测试信息、故障信息与测试序列信息，故障诊断策略的形成均是基于对诊断矩阵的处理，调距桨装置的诊断矩阵的结构为 1211,11,21,22,12,22,1,2,/nnnmmmm nF Ttttfdddfdddfddd.|.|.=|.|D （1）式中：F 为故障状态集；T 为可用测试集；fi(i=1,2,m)为 i 个故障；tj(j=1,2,n)为第 j 种测试方法；若第 j 种测试方法可以检测出第 i 个故障，则 di,j=1，反之di,j=0。由于调距桨装置诊断矩阵规模较大，测试和故障模式之间存在复杂关联耦合关系，通过动态规划等算法求解全局最优解计算量过大10，所以需要根据已经获得的信息或测试结果动态生成并调整诊断测试策略。优化调整诊断测试策略是综合评估时间、人力物力约束和优化目标等有关影响因素，对系统故障进行隔离定位的最优测试顺序方案，保证能够对故障有效隔离的情况下，生成测试费用消耗尽可能小的测试序列。为了实现测试策略的动态优化调整，本文采用基于故障概率和信息熵的滚动（Rollout）推理算法，其中 Rollout 推理算法是一种近似寻优的前向回溯算法，可在期望的时间复杂度下获取较好的局部优化结果。基于故障概率和信息熵的 Rollout 算法的推理流程如下：1）确定诊断对象的可用测试集T、故障状态集 F、诊断矩阵D、测试费用集 C 和故障概率集。2）根据测试集T 中的每个测试 tj将故障状态集 F划分为两个故障状态子集 fj1和 fj2，计算故障状态子集fj1和 fj2所有测试 tj（jj）的信息熵 H，根据信息熵值选择信息量最大最有利于故障隔离的测试，重复上述操作直至所有的故障都被隔离，信息熵计算公式为 1122loglogppppHpppp=-（2）式中：p 为当前故障状态子集中的故障状态个数；p1为当前测试通过的故障状态个数；p2为当前测试未通过的故障状态个数。3）根据2）中确定的每个测试序列的计算期望测试费用，选择期望测试费用最低的测点 tj将故障状态集进行划分，期望测试费用的计算公式为 11221()()()()()()()()()jijjjjjjjmNjjjkikjjiffJcJ ffJ fffJ fcfff.=.=+|=|=|（3）式中：cj为第j 项测试的成本；J(fj)为故障状态子集 fj1和 fj2的期望测试费用；(fj)为故障状态子集 fj1和 fj2的概率，表示故障状态子集 fj1或 fj2中的所有故障概率之和；mj为故障状态子集 fj1或 fj2中的故障个数；N 为将故障 fj隔离的总测试个数；cjk为隔离故障 fj所需的测试费用。4）重复上述操作直至所有的故障都被隔离或测试用尽。图3为基于故障概率和信息熵的Rollout算法的推理流程图。图3 故障概率和信息熵的Rollout 算法的推理流程图 在建立好应用系统的测试性分析模型后，对调距桨装置电液系统进行系统仿真测试设置，分析结构单元选择最小可更换单元，生成测试性分析结果，测试性分析结果可帮助掌握调距桨电液系统的故障检测和故障隔离情况，并可根据分析结果优化诊断过程。测试性分析结果见图4。图4 调距桨装置电液系统故障诊断分析结果图 郜超见等，基于测试性建模的调距桨装置电液系统故障诊断 101 根据已经建立的调距桨装置电液系统测试性模型，分析结果中故障模糊集大小为1 的占99%，利用这种直观的数据和图形显示，故障诊断系统设计人员可直观地得到系统测试诊断能力和测试性设计中存在的缺陷，其中故障检测率与故障隔离率均大于98%，达到较好的诊断效果。3 调距桨装置电液系统的故障诊断系统试验验证调距桨装置电液系统的故障诊断系统试验验证 根据上述调距桨装置电液系统的测试性建模和诊断策略优化研究，结合调距桨装置的设计研发与维护保障经验，搭