水力發(fā)電機(jī)組復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)建模與診斷方法中文摘要

通過(guò)對(duì)水力發(fā)電機(jī)組復(fù)雜耦合系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)特性的分析，更深地理解多場(chǎng)耦合作用下水機(jī)電高效轉(zhuǎn)換系統(tǒng)非平穩(wěn)過(guò)程的演化規(guī)律，解釋機(jī)組穩(wěn)態(tài)響應(yīng)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(jī)組故障產(chǎn)生機(jī)理，探求和認(rèn)識(shí)故障發(fā)展和演化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)多元故障模式下水力發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行域邊界的精確描述，研究不同故障組合誘發(fā)機(jī)組動(dòng)力災(zāi)變的可能性，闡明耦合故障作用下機(jī)組動(dòng)力災(zāi)變失效破壞機(jī)理，提出水機(jī)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(jī)組多場(chǎng)耦合非線性動(dòng)力學(xué)模型，研究其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，發(fā)展基于先進(jìn)智能理論的機(jī)組故障診斷方法的新理論，解決水力發(fā)電機(jī)組復(fù)雜非線性動(dòng)力系統(tǒng)建模與診斷目前面臨的若干核心科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，提升我國(guó)水利機(jī)械基礎(chǔ)研究原創(chuàng)能力，取得一批具有科學(xué)創(chuàng)新和重要學(xué)術(shù)價(jià)值與應(yīng)用前景的研究成果，為提高我國(guó)水電機(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)行水平提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

研究工作在基金委的指導(dǎo)和支持下，緊密圍繞水力發(fā)電機(jī)組復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)建模與診斷的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，按照項(xiàng)目計(jì)劃任務(wù)書(shū)制定的研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容要求，開(kāi)展了卓有成效的工作，取得了實(shí)質(zhì)性研究進(jìn)展和豐富的研究成果，在若干研究方向和應(yīng)用技術(shù)上均有重要突破。對(duì)照項(xiàng)目計(jì)劃任務(wù)書(shū)，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)，高質(zhì)量、圓滿完成了基金項(xiàng)目的研究任務(wù)。研究工作完成學(xué)術(shù)專著2部（校樣中），署名完成高水平學(xué)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(xiàng)、全國(guó)百篇優(yōu)博提名獎(jiǎng)2人次；開(kāi)發(fā)適合于工程應(yīng)用的高級(jí)實(shí)驗(yàn)裝置2臺(tái)、建立應(yīng)用示范系統(tǒng)2套；完成相關(guān)研究?jī)?nèi)容的博士后出站報(bào)告1份，8名博士研究生完成博士學(xué)位論文答辯，21名碩士研究生完成碩士學(xué)位論文答辯，培養(yǎng)了8名行業(yè)內(nèi)高級(jí)專業(yè)技術(shù)人員。研究成果在國(guó)內(nèi)外學(xué)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(jí)水電站等國(guó)家重大水電工程項(xiàng)目獲得成功應(yīng)用，產(chǎn)生顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。 按照項(xiàng)目計(jì)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(jī)組非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)及特征描述、水力發(fā)電機(jī)組多場(chǎng)耦合非線性動(dòng)力學(xué)建模、水力發(fā)電機(jī)組非平穩(wěn)故障征兆辨識(shí)及特征提取、基于先進(jìn)智能理論的機(jī)組故障診斷方法、水機(jī)電非線性耦合系統(tǒng)模型辨識(shí)與智能控制五個(gè)方面。研究工作通過(guò)對(duì)水力發(fā)電機(jī)組復(fù)雜耦合系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)特性的分析，揭示了多場(chǎng)耦合作用下水機(jī)電高效轉(zhuǎn)換系統(tǒng)非平穩(wěn)過(guò)程的演化規(guī)律；解釋了機(jī)組穩(wěn)態(tài)響應(yīng)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(rèn)識(shí)了水機(jī)電耦合故障的產(chǎn)生機(jī)理、演化過(guò)程和發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)多元故障模式下水力發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行域邊界的精確描述；研究了不同故障組合誘發(fā)機(jī)組動(dòng)力災(zāi)變的可能性，闡明耦合故障作用下機(jī)組動(dòng)力災(zāi)變失效破壞機(jī)理；提出了一種水機(jī)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(jī)組多場(chǎng)耦合非線性動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)展了基于先進(jìn)智能理論的機(jī)組故障診斷新方法；設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了水電機(jī)組效率試驗(yàn)系統(tǒng)和水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真測(cè)試儀等高級(jí)試驗(yàn)裝置，構(gòu)建了基于多知識(shí)集成網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)映射能力的水力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷與管理決策支持應(yīng)用示范系統(tǒng)。研究工作解決了水力發(fā)電機(jī)組復(fù)雜非線性動(dòng)力系統(tǒng)建模與診斷目前面臨的若干核心科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，取得一批原創(chuàng)性研究成果，為提高我國(guó)水電機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行水平提供了重要的理論依據(jù)。 2100433B

將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于電器控制系統(tǒng)故障診斷和預(yù)測(cè)研究中，從系統(tǒng)整體上對(duì)電器控制系統(tǒng)中故障的傳播過(guò)程和演變機(jī)制的動(dòng)力學(xué)行為做出解釋，實(shí)現(xiàn)診斷和預(yù)測(cè)目的。首先針對(duì)不同的故障特點(diǎn)和診斷預(yù)測(cè)目標(biāo)，研究電器控制系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)和連接關(guān)系的描述和表示方法及系統(tǒng)級(jí)拓?fù)淠Ｐ偷纳蛇^(guò)程，并研究常用的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型在故障建模中的適用性及改進(jìn)方法，完成故障拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化過(guò)程。其次，在故障傳播動(dòng)力學(xué)研究中，采用節(jié)點(diǎn)與連接邊的混合動(dòng)態(tài)模型和有效的搜素算法，得到一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)形成的子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的動(dòng)態(tài)模型表示和演變過(guò)程，并研究網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上相繼故障發(fā)生時(shí)的診斷、預(yù)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(cè)試來(lái)完成結(jié)果的驗(yàn)證和改進(jìn)，并完善該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用方法，為大型復(fù)雜行業(yè)的電器控制系統(tǒng)故障診斷和預(yù)測(cè)維護(hù)提供理論方法和技術(shù)手段。

本項(xiàng)目對(duì)柔性物體的參數(shù)化建模及復(fù)雜約束變形問(wèn)題的理論和方法進(jìn)行研究，并針對(duì)幾類具體的模型進(jìn)行應(yīng)用研究。從理論上針對(duì)隱式的幾何約束和物理的約束條件，進(jìn)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(jì)算幾何、優(yōu)化、力學(xué)等方法，用有限參數(shù)描述復(fù)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(fù)雜的變形過(guò)程，即利用參數(shù)來(lái)控制變形的過(guò)程和結(jié)果，解決相應(yīng)的大變形問(wèn)題。以乳腺癌早期診斷中的醫(yī)學(xué)成像過(guò)程和內(nèi)衣設(shè)計(jì)中的三維變形等問(wèn)題為例，借助三維測(cè)量?jī)x和現(xiàn)代成像技術(shù)，進(jìn)行應(yīng)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(xué)圖像間的三維融合等問(wèn)題。這項(xiàng)研究對(duì)數(shù)字人體、醫(yī)學(xué)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(wèn)題的研究具有重要的意義。利用參數(shù)化建模的思想來(lái)分析和模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或過(guò)程的研究方法，對(duì)信息科學(xué)與實(shí)驗(yàn)科學(xué)的交叉研究有積極作用。 2100433B

本項(xiàng)目研究了電器控制系統(tǒng)故障建模分析及診斷預(yù)測(cè)方法，并在故障影響與傳播分析中，結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的概念開(kāi)展了相應(yīng)的研究。首先對(duì)電器控制系統(tǒng)中表示節(jié)點(diǎn)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(tái)，實(shí)現(xiàn)了有向圖算法和計(jì)算機(jī)輔助分析手段?？紤]到電器控制系統(tǒng)的特點(diǎn), 對(duì)系統(tǒng)分層拓?fù)淠Ｐ透拍詈凸?jié)點(diǎn)劃分做了定義和設(shè)定的劃分原則。研究了采用分層拓?fù)淠Ｐ偷拿枋龇椒?，將整個(gè)系統(tǒng)的建樹(shù)工作量劃分到不同層次上的部分結(jié)構(gòu)建樹(shù),并將重復(fù)子系統(tǒng)或元件進(jìn)行故障預(yù)存儲(chǔ),最后在整體上形成故障樹(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)知識(shí)到故障診斷知識(shí)的轉(zhuǎn)化,并據(jù)此建立了相應(yīng)的故障診斷知識(shí)庫(kù)。基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)概念，研究了有向圖的故障節(jié)點(diǎn)傳播模型，利用故障傳播的矩陣分析方法，通過(guò)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(duì)其它節(jié)點(diǎn)的影響度，將該方法應(yīng)用于飛機(jī)電源供電系統(tǒng)中，做了實(shí)例驗(yàn)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(jìn)行抽象，建立起具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性的綜合模型，定義了節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)和平均距離，系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)的度分布描述了該節(jié)點(diǎn)受到的故障影響。針對(duì)一個(gè)航空電源系統(tǒng)，建立了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型，研究了網(wǎng)絡(luò)連接中節(jié)點(diǎn)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(guò)仿真得到在同一故障下的不同節(jié)點(diǎn)受影響情況，從而對(duì)故障發(fā)展趨勢(shì)做出相應(yīng)的預(yù)測(cè)分析。在數(shù)值仿真和半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，編制了相應(yīng)的建模算法和分析軟件，建立起了測(cè)試電器控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)了電器控制系統(tǒng)故障診斷建模與預(yù)測(cè)研究的綜合系統(tǒng)。 2100433B