【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于多執行器故障診斷領域，具體涉及一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法。
技術介紹
1、換熱器作為工業化工領域中的核心設備，結構設計靈活、選材范圍廣、適應性強、耐高溫高壓等，所以廣泛應用于電力、化工、食品、制藥等工業化工領域，是非常關鍵的工業化工設備。換熱器系統運行的穩定性和效率直接關系到整個生產流程的順暢與能源的合理利用。然而，由于工作環境的復雜性，如極端溫度、高壓、腐蝕性介質等，換熱器面臨著多種故障風險，如熱交換效率下降、泄漏、堵塞等，導致系統執行器機構出現故障，停止工作。不僅影響生產效率，還可能引發安全事故。因此，發展高效、快速且穩定的故障診斷技術對于提升換熱器系統的安全性、可靠性和經濟性具有重要意義。
2、針對換熱器這種難以建立精準數學模型、系統結構復雜、易受外界未知輸入擾動影響的非線性系統，設計一種合適的故障診斷方法成為該領域的重點。未知輸入觀測器展現出獨特優勢，通過設計特定的觀測器結構，能夠在不完全了解系統所有輸入的情況下，有效識別出故障信號。具體而言，未知輸入觀測器能夠從系統的輸出信號中提取故障特征，即使系統中存在未知輸入擾動的情況下，也能保持對故障信息的敏感性。通過對比未知輸入觀測器的輸出與實際系統輸出的差異得到殘差信號，實現對單一或多執行器故障的準確診斷，為及時采取維護措施、避免系統故障升級提供關鍵信息。
技術實現思路
1、本專利技術提供一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法。設計未知輸入觀測器，生成對未知輸
2、為實現本專利技術的目的，技術方案如下：
3、一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法，其具體實施步驟如下：
4、步驟1：建立換熱器系統模型；
5、步驟2：給出存在多執行器故障的換熱器系統非線性狀態空間模型；
6、步驟3：使用參數雅可比線性化技術，將狀態空間模型改寫成線性變參數形式，從而得到換熱器系統的線性變參數模型；
7、步驟4：設計未知輸入觀測器；
8、步驟5：由未知輸入觀測器生成的殘差信息設計故障診斷策略；
9、步驟6：根據故障診斷策略完成換熱器系統多執行器故障診斷任務。
10、進一步的，所述步驟1中換熱器系統模型為：
11、
12、其中，ρ1、ρ2、ρp分別為換熱器系統管內流體密度、殼體流體密度、壁體流體密度；cp1、cp2、分別代表管比熱容、殼體比熱容、壁體比熱容；a代表換熱器區域；h1、h2代表管傳熱、殼體傳熱；v1、v2、vp分別表示管體積、殼體容積、壁體體積；t表示時刻；d代表數學微分；分別表示換熱器管的輸入溫度、換熱器殼體的輸入溫度；θp(t)分別表示換熱器管、殼體和壁體在t時刻的狀態變量；q1(t)、q2(t)分別表示t時刻的冷工藝流率、熱流流率。
13、進一步的，所述步驟2中換熱器系統非線性狀態空間模型為：
14、
15、其中，x(l)、u(l)、y(l)分別表示狀態向量、輸入向量、輸出向量；代表x(l)的一階微分；f(·)、g(·)分別表示輸入狀態的非線性函數、輸出狀態的非線性函數；表示m(1,2,3,···)個執行器故障輸入向量。
16、進一步的，使用參數雅可比線性化技術，將狀態空間模型改寫成線性變參數形式：
17、
18、其中，ai、bi、ci、di、fi、δxi、δyi代表適當維數的常數矩陣；μi(·)是加權函數；ζ(l)是調度參數；表示從i＝1到m的求和函數。
19、進一步的，給出換熱器系統線性變參數模型的系統矩陣為：
20、
21、其中，分別表示第i個換熱器管、殼體在某時刻的狀態變量。由上述系統矩陣，可得到換熱器系統的線性變參數模型。
22、進一步的，所述步驟4中未知輸入觀測器為：
23、
24、其中，φ(l)為未知輸入觀測器的狀態變量；
25、代表φ(l)的一階微分；ki、均為待設計的矩陣，用于實現未知輸入解耦；為未知輸入觀測器的增益矩陣。
26、進一步的，未知輸入觀測器的估計動態誤差與存在條件如下：
27、估計動態誤差：
28、其中，e(t)為未知輸入觀測器的估計動態誤差；代表e(t)的一階微分。
29、存在條件：
30、其中，x、wi為對稱正定矩陣；為未知輸入觀測器的待求矩陣；α為待求增益系數；t表示轉置符號。
31、進一步的，所述步驟5中故障診斷策略為：
32、
33、其中，r(l)為殘差信息，為輸出向量y(l)的估計值，|·|為取模符號；rth(l)為預設閾值。
34、(1)故障檢測與隔離
35、
36、其中，表示m(1,2,3,···)個故障分量；rm表示m(1,2,3,···)個殘差分量。
37、(2)故障估計
38、
39、其中，為t時刻的故障估計值；y(t)為未知輸入觀測器t時刻的輸出變量；為y(t)的一階微分；φ(t)為未知輸入觀測器t時刻的狀態變量；代表φ(t)的一階微分；g1、g2均為待求矩陣。
40、本專利技術與現有技術相比具有如下優點：
41、1)所設計的未知輸入觀測器結構簡單，不需模型狀態擴展；
42、2)所設計的未知輸入觀測器效率高，在不同采樣時刻只需少量計算資源就能在線完成故障診斷任務；
43、3)所設計的未知輸入觀測器對多執行器故障具有高敏感性；
44、4)本專利技術思路清晰，可實施性強。
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1.一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法，其特征在于：所述步驟1中換熱器系統模型為：
3.根據權利要求2所述的一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法，其特征在于：所述步驟2中存在多執行器故障的換熱器系統非線性狀態空間模型為：
4.根據權利要求3所述的一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法，其特征在于：使用參數雅可比線性化技術，將狀態空間模型改寫成線性變參數形式：
5.根據權利要求4所述的一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法，其特征在于：換熱器系統線性變參數模型的系統矩陣為：
6.根據權利要求5所述的一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法，其特征在于：所述步驟4中未知輸入觀測器為：
7.根據權利要求6所述的一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法，其特征在于：未知輸入觀測器的估計動態誤差與存在條件如下：>
8.根據權利要求7所述的一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法，其特征在于：所述步驟5中故障診斷策略為：
...【技術特征摘要】
1.一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法，其特征在于：所述步驟1中換熱器系統模型為：
3.根據權利要求2所述的一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法，其特征在于：所述步驟2中存在多執行器故障的換熱器系統非線性狀態空間模型為：
4.根據權利要求3所述的一種基于未知輸入觀測器的換熱器系統多執行器故障診斷方法，其特征在于：使用參數雅可比線性化技術，將狀態空間模型改寫成線性變參數形式：
【專利技術屬性】
技術研發人員：班明飛，邱秉釗，劉一琦，李振杰，趙毅，宋夢，
申請(專利權)人：東北林業大學，
類型：發明
國別省市：
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