污水處理過(guò)程多模態(tài)建模及相應(yīng)故障預(yù)測(cè)方法研究項(xiàng)目摘要

軟測(cè)量技術(shù)作為解決污水處理過(guò)程難以實(shí)時(shí)測(cè)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(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用的一個(gè)主要瓶頸。項(xiàng)目擬以污水處理中與安全密切相關(guān)但又難以測(cè)量的過(guò)程變量為研究對(duì)象，首先依據(jù)改進(jìn)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(dòng)機(jī)理論，開展多模態(tài)軟測(cè)量建模方法的研究，保證軟測(cè)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(cè)；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(cè)，探索污泥中毒退化規(guī)律和建立故障預(yù)測(cè)模型；最后，在上述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合改進(jìn)滾動(dòng)式時(shí)間序列模型和統(tǒng)計(jì)學(xué)中敏感性分析方法，對(duì)故障預(yù)測(cè)不確定性進(jìn)行深入分析從而提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。該項(xiàng)目將探索多模態(tài)軟測(cè)量建模方法及相應(yīng)的故障模態(tài)下故障預(yù)測(cè)功能，旨在為有效的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行和定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)健康狀態(tài)奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

為了解決模態(tài)的頻繁變化制約軟測(cè)量技術(shù)推廣應(yīng)用，項(xiàng)目以污水處理中與安全密切相關(guān)但又難以測(cè)量的過(guò)程變量為研究對(duì)象，首先改進(jìn)了ARMA模型，高斯過(guò)程模型和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理模型理論，并與概率混合自動(dòng)機(jī)理論相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了軟測(cè)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(cè)；其次，在污泥中毒故障模態(tài)下，研究以ARMA模型，高斯過(guò)程模型和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理模型的多步預(yù)測(cè)，探索污泥中毒退化規(guī)律和建立故障預(yù)測(cè)模型；最后，在上述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合改進(jìn)滾動(dòng)式時(shí)間序列模型和統(tǒng)計(jì)學(xué)中敏感性分析方法，對(duì)故障預(yù)測(cè)不確定性進(jìn)行深入分析從而提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。項(xiàng)目探索了污水系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，合理地描述污水處理系統(tǒng)復(fù)雜多變的多模態(tài)特性；對(duì)故障模態(tài)下不確定性進(jìn)行充分認(rèn)識(shí)和量化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障預(yù)測(cè)。此外，利用MATLAB軟件開發(fā)了一款針對(duì)污水處理多模態(tài)軟測(cè)量建模和故障預(yù)測(cè)的軟件，可實(shí)現(xiàn)多模態(tài)建模和故障預(yù)測(cè)等功能，并在國(guó)際水協(xié)會(huì)的仿真平臺(tái)以及實(shí)際采集的數(shù)據(jù)上進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)本項(xiàng)目的研究，建立了一套多模態(tài)建模和故障預(yù)測(cè)的方法和理論體系，豐富相關(guān)的理論和內(nèi)容。 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。考慮到電器控制系統(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(jìn)行故障預(yù)存儲(chǔ),最后在整體上形成故障樹,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)?；趶?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

提出一種含有多通道多余度起動(dòng)／發(fā)電機(jī)、功率變換單元、集成電作動(dòng)器的多電機(jī)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(dòng)器冗余用電中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。建立該多電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，研究各種工作模式和運(yùn)行狀態(tài)下的系統(tǒng)特性和控制策略，并確定實(shí)際系統(tǒng)控制所需要的各種參量；建立多電機(jī)系統(tǒng)場(chǎng)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(jī)系統(tǒng)的各種故障特性，為系統(tǒng)容錯(cuò)運(yùn)行策略的選擇提供依據(jù)；研究多電機(jī)系統(tǒng)故障檢測(cè)、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(fù)載均衡問(wèn)題；提出多電機(jī)系統(tǒng)的冗余管理及容錯(cuò)運(yùn)行綜合控制策略；搭建多電機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)多電機(jī)系統(tǒng)的冗余運(yùn)行、各類故障狀態(tài)、系統(tǒng)負(fù)載變化等進(jìn)行試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證理論研究的正確性和有效性，為進(jìn)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(shuō)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(kuò)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(cè)點(diǎn)數(shù)目很難實(shí)現(xiàn)，目前提出的一種激光掃描方法是大大增加測(cè)點(diǎn)數(shù)的有效辦法，測(cè)點(diǎn)數(shù)目的增加隨之而來(lái)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(cè)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(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間模態(tài)的測(cè)量分析、頻響函數(shù)的耦合、高頻模態(tài)檢測(cè)、抗噪聲干擾等等方面的研究尚需進(jìn)一步開展。模態(tài)分析當(dāng)前的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是由線性向非線性問(wèn)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(duì)非線性模態(tài)理論進(jìn)行了研究，但由于非線性問(wèn)題本身的復(fù)雜性及當(dāng)時(shí)工程實(shí)踐中的非線性問(wèn)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(lái)在工程中的非線性問(wèn)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(dòng)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(wèn)題是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。在非線性建模理論與參數(shù)辨識(shí)方面的研究工作亦是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。非線性系統(tǒng)物理參數(shù)的識(shí)別、載荷識(shí)別方面的研究亦已開始。展望未來(lái)，模態(tài)分析與試驗(yàn)技術(shù)仍將以新的速度，新的內(nèi)容向前發(fā)展。