水力發(fā)電機組復雜非線性動力學建模與診斷方法

研究工作在基金委的指導和支持下，緊密圍繞水力發(fā)電機組復雜非線性動力學建模與診斷的關(guān)鍵科學問題，按照項目計劃任務(wù)書制定的研究目標和研究內(nèi)容要求，開展了卓有成效的工作，取得了實質(zhì)性研究進展和豐富的研究成果，在若干研究方向和應用技術(shù)上均有重要突破。對照項目計劃任務(wù)書，實現(xiàn)了項目預期目標，高質(zhì)量、圓滿完成了基金項目的研究任務(wù)。研究工作完成學術(shù)專著2部（校樣中），署名完成高水平學術(shù)論文共32篇，其中，發(fā)表27篇，錄用5篇，SCI刊源11篇，EI刊源25篇；獲發(fā)明專利3項、全國百篇優(yōu)博提名獎2人次；開發(fā)適合于工程應用的高級實驗裝置2臺、建立應用示范系統(tǒng)2套；完成相關(guān)研究內(nèi)容的博士后出站報告1份，8名博士研究生完成博士學位論文答辯，21名碩士研究生完成碩士學位論文答辯，培養(yǎng)了8名行業(yè)內(nèi)高級專業(yè)技術(shù)人員。研究成果在國內(nèi)外學術(shù)和工程界產(chǎn)生了重要影響，部分成果在二灘水電站、白山水電站、松江河梯級水電站等國家重大水電工程項目獲得成功應用，產(chǎn)生顯著的社會和經(jīng)濟效益。 按照項目計劃任務(wù)的要求，研究成果主要集中在多元故障模式下水力發(fā)電機組非線性動態(tài)響應及特征描述、水力發(fā)電機組多場耦合非線性動力學建模、水力發(fā)電機組非平穩(wěn)故障征兆辨識及特征提取、基于先進智能理論的機組故障診斷方法、水機電非線性耦合系統(tǒng)模型辨識與智能控制五個方面。研究工作通過對水力發(fā)電機組復雜耦合系統(tǒng)非線性動力學特性的分析，揭示了多場耦合作用下水機電高效轉(zhuǎn)換系統(tǒng)非平穩(wěn)過程的演化規(guī)律；解釋了機組穩(wěn)態(tài)響應及其穩(wěn)定性隨系統(tǒng)參數(shù)變化的規(guī)律和可能由此引起的混沌現(xiàn)象，認識了水機電耦合故障的產(chǎn)生機理、演化過程和發(fā)展模式，實現(xiàn)多元故障模式下水力發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行域邊界的精確描述；研究了不同故障組合誘發(fā)機組動力災變的可能性，闡明耦合故障作用下機組動力災變失效破壞機理；提出了一種水機電非線性耦合系統(tǒng)模型反演與參數(shù)優(yōu)化的理論與方法，建立了水力發(fā)電機組多場耦合非線性動力學模型，發(fā)展了基于先進智能理論的機組故障診斷新方法；設(shè)計并開發(fā)了水電機組效率試驗系統(tǒng)和水輪機調(diào)速系統(tǒng)仿真測試儀等高級試驗裝置，構(gòu)建了基于多知識集成網(wǎng)絡(luò)、強映射能力的水力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與管理決策支持應用示范系統(tǒng)。研究工作解決了水力發(fā)電機組復雜非線性動力系統(tǒng)建模與診斷目前面臨的若干核心科學和關(guān)鍵技術(shù)問題，取得一批原創(chuàng)性研究成果，為提高我國水電機組設(shè)計運行水平提供了重要的理論依據(jù)。 2100433B

通過對水力發(fā)電機組復雜耦合系統(tǒng)非線性動力學特性的分析，更深地理解多場耦合作用下水機電高效轉(zhuǎn)換系統(tǒng)非平穩(wěn)過程的演化規(guī)律，解釋機組穩(wěn)態(tài)響應及其穩(wěn)定性隨系統(tǒng)參數(shù)變化的演化規(guī)律和可能由此引起的分岔與混沌現(xiàn)象，揭示水電機組故障產(chǎn)生機理，探求和認識故障發(fā)展和演化規(guī)律，實現(xiàn)多元故障模式下水力發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行域邊界的精確描述，研究不同故障組合誘發(fā)機組動力災變的可能性，闡明耦合故障作用下機組動力災變失效破壞機理，提出水機電非線性耦合系統(tǒng)模型反演與參數(shù)優(yōu)化的理論與方法，建立水力發(fā)電機組多場耦合非線性動力學模型，研究其數(shù)學基礎(chǔ)，發(fā)展基于先進智能理論的機組故障診斷方法的新理論，解決水力發(fā)電機組復雜非線性動力系統(tǒng)建模與診斷目前面臨的若干核心科學和關(guān)鍵技術(shù)問題，提升我國水利機械基礎(chǔ)研究原創(chuàng)能力，取得一批具有科學創(chuàng)新和重要學術(shù)價值與應用前景的研究成果，為提高我國水電機組的設(shè)計和運行水平提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

將復雜網(wǎng)絡(luò)理論應用于電器控制系統(tǒng)故障診斷和預測研究中，從系統(tǒng)整體上對電器控制系統(tǒng)中故障的傳播過程和演變機制的動力學行為做出解釋，實現(xiàn)診斷和預測目的。首先針對不同的故障特點和診斷預測目標，研究電器控制系統(tǒng)中節(jié)點和連接關(guān)系的描述和表示方法及系統(tǒng)級拓撲模型的生成過程，并研究常用的復雜網(wǎng)絡(luò)模型在故障建模中的適用性及改進方法，完成故障拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程。其次，在故障傳播動力學研究中，采用節(jié)點與連接邊的混合動態(tài)模型和有效的搜素算法，得到一個或多個節(jié)點形成的子系統(tǒng)發(fā)生故障時的動態(tài)模型表示和演變過程，并研究網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上相繼故障發(fā)生時的診斷、預防與控制策略。最后，在故障統(tǒng)一建模的理論研究基礎(chǔ)上，借助于數(shù)值模擬和系統(tǒng)測試來完成結(jié)果的驗證和改進，并完善該技術(shù)的實際應用方法，為大型復雜行業(yè)的電器控制系統(tǒng)故障診斷和預測維護提供理論方法和技術(shù)手段。

本項目對柔性物體的參數(shù)化建模及復雜約束變形問題的理論和方法進行研究，并針對幾類具體的模型進行應用研究。從理論上針對隱式的幾何約束和物理的約束條件，進行柔性物體的參數(shù)化表示及變形方法的研究，結(jié)合圖形圖像、計算幾何、優(yōu)化、力學等方法，用有限參數(shù)描述復雜的柔性幾何形體的各種狀態(tài)；用參數(shù)化方法模擬幾類典型復雜的變形過程，即利用參數(shù)來控制變形的過程和結(jié)果，解決相應的大變形問題。以乳腺癌早期診斷中的醫(yī)學成像過程和內(nèi)衣設(shè)計中的三維變形等問題為例，借助三維測量儀和現(xiàn)代成像技術(shù)，進行應用基礎(chǔ)研究；構(gòu)造不同外部條件下的幾何變形模型，解決不同類型的醫(yī)學圖像間的三維融合等問題。這項研究對數(shù)字人體、醫(yī)學圖像、3D服裝、人臉表情、肌肉彈性生物模型等方面的柔性物體的幾何變形問題的研究具有重要的意義。利用參數(shù)化建模的思想來分析和模擬實驗數(shù)據(jù)或過程的研究方法，對信息科學與實驗科學的交叉研究有積極作用。 2100433B

本項目研究了電器控制系統(tǒng)故障建模分析及診斷預測方法，并在故障影響與傳播分析中，結(jié)合復雜網(wǎng)絡(luò)的概念開展了相應的研究。首先對電器控制系統(tǒng)中表示節(jié)點和連接關(guān)系的斷路器等元部件的狀態(tài)和工作性能及故障模式與影響做了研究分析，在已有的研究結(jié)果基礎(chǔ)上，完成了用于故障編碼和故障影響因素分析的電器控制系統(tǒng)建模平臺，實現(xiàn)了有向圖算法和計算機輔助分析手段?？紤]到電器控制系統(tǒng)的特點, 對系統(tǒng)分層拓撲模型概念和節(jié)點劃分做了定義和設(shè)定的劃分原則。研究了采用分層拓撲模型的描述方法，將整個系統(tǒng)的建樹工作量劃分到不同層次上的部分結(jié)構(gòu)建樹,并將重復子系統(tǒng)或元件進行故障預存儲,最后在整體上形成故障樹,實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)知識到故障診斷知識的轉(zhuǎn)化,并據(jù)此建立了相應的故障診斷知識庫?；趶碗s網(wǎng)絡(luò)概念，研究了有向圖的故障節(jié)點傳播模型，利用故障傳播的矩陣分析方法，通過定義的故障直接傳播和間接傳播，得到了每種故障發(fā)生的概論及對其它節(jié)點的影響度，將該方法應用于飛機電源供電系統(tǒng)中，做了實例驗證。在完成了元件故障信息、相互連接關(guān)系和子系統(tǒng)故障傳播基礎(chǔ)上，將電器控制系統(tǒng)從整體上進行抽象，建立起具有復雜網(wǎng)絡(luò)特性的綜合模型，定義了節(jié)點的聚類系數(shù)和平均距離，系統(tǒng)中不同節(jié)點的度分布描述了該節(jié)點受到的故障影響。針對一個航空電源系統(tǒng)，建立了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型，研究了網(wǎng)絡(luò)連接中節(jié)點的度和聚類系數(shù)特性，表明網(wǎng)絡(luò)具有小的平均路徑和大的聚類系數(shù)，滿足小世界網(wǎng)絡(luò)特性。在故障傳播特性分析中，定義了連接矩陣和激活函數(shù)，確定故障的傳播閾值，通過仿真得到在同一故障下的不同節(jié)點受影響情況，從而對故障發(fā)展趨勢做出相應的預測分析。在數(shù)值仿真和半實物仿真實驗研究的基礎(chǔ)上，編制了相應的建模算法和分析軟件，建立起了測試電器控制系統(tǒng)的實驗平臺，最終實現(xiàn)了電器控制系統(tǒng)故障診斷建模與預測研究的綜合系統(tǒng)。 2100433B