污水處理過程多模態(tài)建模及相應(yīng)故障預(yù)測方法研究

軟測量技術(shù)作為解決污水處理過程難以實時測量變量的有效途徑正受到廣泛的關(guān)注。然而，模態(tài)的頻繁變化成為了制約該項技術(shù)推廣應(yīng)用的一個主要瓶頸。項目擬以污水處理中與安全密切相關(guān)但又難以測量的過程變量為研究對象，首先依據(jù)改進Rao-Blackwellised粒子濾波理論，自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理模型理論和概率混合自動機理論，開展多模態(tài)軟測量建模方法的研究，保證軟測量在正常模態(tài)和故障模態(tài)等多種模態(tài)都能做出準(zhǔn)確預(yù)測；其次，在污泥中毒故障模態(tài)下，研究以自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理為模型結(jié)構(gòu)的高階馬爾科夫多步預(yù)測，探索污泥中毒退化規(guī)律和建立故障預(yù)測模型；最后，在上述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合改進滾動式時間序列模型和統(tǒng)計學(xué)中敏感性分析方法，對故障預(yù)測不確定性進行深入分析從而提高預(yù)測的準(zhǔn)確度。該項目將探索多模態(tài)軟測量建模方法及相應(yīng)的故障模態(tài)下故障預(yù)測功能，旨在為有效的監(jiān)控系統(tǒng)運行和定量評價系統(tǒng)健康狀態(tài)奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

本項目研究了電器控制系統(tǒng)故障建模分析及診斷預(yù)測方法，并在故障影響與傳播分析中，結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的概念開展了相應(yīng)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。考慮到電器控制系統(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(fù)子系統(tǒng)或元件進行故障預(yù)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(yīng)的故障診斷知識庫?；趶?fù)雜網(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(yīng)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(fù)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(yīng)的預(yù)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(yīng)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(yù)測研究的綜合系統(tǒng)。 2100433B

提出一種含有多通道多余度起動／發(fā)電機、功率變換單元、集成電作動器的多電機系統(tǒng)。從系統(tǒng)的層面研究多通道發(fā)電系統(tǒng)冗余供電、多余度功率變換器和逆變器智能配電及多通道集成電作動器冗余用電中的關(guān)鍵技術(shù)問題。建立該多電機系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建系統(tǒng)半實物仿真平臺，研究各種工作模式和運行狀態(tài)下的系統(tǒng)特性和控制策略，并確定實際系統(tǒng)控制所需要的各種參量；建立多電機系統(tǒng)場路耦合的故障分析模型，研究系統(tǒng)中各種典型故障狀態(tài)，獲得多電機系統(tǒng)的各種故障特性，為系統(tǒng)容錯運行策略的選擇提供依據(jù)；研究多電機系統(tǒng)故障檢測、故障隔離和系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)，解決多余度發(fā)電故障狀態(tài)下的電流均衡和多余度用電故障狀態(tài)下的負載均衡問題；提出多電機系統(tǒng)的冗余管理及容錯運行綜合控制策略；搭建多電機系統(tǒng)實驗臺，對多電機系統(tǒng)的冗余運行、各類故障狀態(tài)、系統(tǒng)負載變化等進行試驗研究，以驗證理論研究的正確性和有效性，為進一步研究多電航空電氣系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

模態(tài)分析技術(shù)發(fā)展到今天已趨成熟，特別是線性模態(tài)理論（通常所說的模態(tài)分析均是指線性模態(tài)分析）方面的研究已日臻完善，但在工程應(yīng)用方面還有不少工作可做。首先是如何提高模態(tài)分析的精度，擴大應(yīng)用范圍。增加模態(tài)分析的信息量是提高分析精度的關(guān)鍵，單靠增加傳感器的測點數(shù)目很難實現(xiàn)，目前提出的一種激光掃描方法是大大增加測點數(shù)的有效辦法，測點數(shù)目的增加隨之而來的是增大數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的容量及提高分析處理速度，在測試方法、數(shù)據(jù)采集與分析方面還有不少研究工作可做。對復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間模態(tài)的測量分析、頻響函數(shù)的耦合、高頻模態(tài)檢測、抗噪聲干擾等等方面的研究尚需進一步開展。模態(tài)分析當(dāng)前的一個重要發(fā)展趨勢是由線性向非線性問題方向發(fā)展。非線性模態(tài)的概念早在1960年就由Rosenberg提出，雖有不少學(xué)者對非線性模態(tài)理論進行了研究，但由于非線性問題本身的復(fù)雜性及當(dāng)時工程實踐中的非線性問題并示引起重視，非線性模態(tài)分析的發(fā)展受到限制。近年來在工程中的非線性問題日益突出，因此非線性模態(tài)分析亦日益受到人們的重視。最近已逐步形成了所謂非線性模態(tài)動力學(xué)。關(guān)于非線性模態(tài)的正交性、解耦性、穩(wěn)定性、模態(tài)的分叉、滲透等問題是當(dāng)前研究的重點。在非線性建模理論與參數(shù)辨識方面的研究工作亦是當(dāng)今研究的熱點。非線性系統(tǒng)物理參數(shù)的識別、載荷識別方面的研究亦已開始。展望未來，模態(tài)分析與試驗技術(shù)仍將以新的速度，新的內(nèi)容向前發(fā)展。