徐芹丽 胡立生

(上海交通大学电子信息与电气工程学院)

摘 要 提出一种基于性能评估的阀门非线性检测方法，利用汽轮机日常运行数据，通过性能指标实时观测汽轮机阀门状态，对阀门故障及时预警，测试结果与电厂实际运行情况一致。

关键词 阀门 非线性 阀门曲线失配 最小方差 性能评估 性能指标

阀门作为汽轮机控制回路中的重要元件，对汽轮机平稳运行具有重要的影响。阀门的异常或

故障，将导致系统出现波动$振荡，影响功率反馈、一次调频，严重情况下甚至会导致设备停产，造成安全隐患以及经济损失。目前汽轮机厂针对阀门的异常故障检测，主要采用定期检修和发生故障再维修的方法，该方法的不足在于不能及时发现阀门故障，同时又会耗费大量的人力物力。因此，如何在对阀门等重要设备实施定期维修的基础上，提高视情维修能力，避免频繁的计划外停机或停堆进行阀门维修，是电厂运营商、设备制造商目前所面临亟需解决的重大问题。

笔者提出一种基于最小方差性能评估算法的阀门非线性检测方法，通过分析汽轮机日常运行数据，提取数据特征，计算控制回路性能指标，监测阀门状态，达到实时监控和及时预警的作用。

性能评估算法是一种基于数据驱动的控制系统评价算法，它由已知的几个很少的控制量估计系统最优情况，将它与实际值做比作为性能评估值评价性能的好坏。该算法的优点在于不需要过多的算法且方法简单，可以为系统维护提供技术支持。

目前控制回路性能评估已经有广泛的工业应用，如精馏塔$纸浆造纸工业及石油化工领域等，主要使用的评估指标是各种形式的最小方差基准。Harris T J等开发了一套基于专家系统的软件用于评估单回路和多回路，之后Paulonis MA和Cox J W对该软件进行了扩展，针对Eastman化工厂的14000个控制回路开发内部解决方案——一份详细的性能评估方案，根据全过程的重要性对回路进行分类，使用户可以自行决定是否对某一回路分配与之重要性相当的性能。

笔者创新性地使用性能评估算法计算性能指标值评估控制系统，作为检测非线性的判据之一，实验结果证明该方法的确能实现阀门非线性的检测，在简化了阀门非线性检测的同时又能实现实时监控的目的，对保障汽轮机平稳运行具有重要的研究意义。

1 阀门非线性

阀门异常;故障表现为复杂的非线性现象，阀门非线性按照其产生机理分为两类:一类是由阀门卡涩、粘滞引起的动态非线性，它发生在阀门形成的任意阶段，是由于阀门静摩擦力大使得阀门开度跟不上阀门指令，进而发生死区和跳变的现象(图1)，关于阀门粘滞已经有了不少理论研究成果，其中最受认可的是Choudhury M A A S等提出的基于双相干系数的检测算法;另一类是阀门曲线失配引起的静态非线性，它与阀门本身的机械特性曲线有关，汽轮机出厂时控制系统中配置了阀门修正曲线用于补偿阀门机械特性引入的非线性，使得控制回路呈线性，便于控制。然而随着时间的变化，汽轮机运行过程中，阀门机械特性曲线慢慢发生变化，此时如果不校正阀门或阀门修正曲线，就引入了静态偏差(图2)，易造成系统

振荡等现象，关于此现象，工厂中一般采取定期检测、定期更换的办法。这些方法需要在汽轮机停机停堆进行，操作不当甚至会造成阀门特性变化，得不偿失。两种非线性的存在都会对汽轮机运行造成严重的影响，笔者主要研究阀门曲线失配引起的阀门非线性。

图1 阀门静摩擦力示意图

图2 阀门曲线失配示意图

2 最小方差性能评估算法

为度量实际控制系统的性能，必须先选择一个比较基准，基于最小方差的Harris指标是目前研究最为广泛的一种。最小方差性能评估方法利用工业控制系统实时运行数据，通过时序分析估计最优控制器下方差的值，将它与实际方差的比值作为观测指标，评估系统的好坏，达到早期检测并诊断设备异常状态或故障的功能。性能评估方法独立运行于控制系统之外，通过很少的几个量就可以计算，具有高效快捷的特点。它能快速准确地体现控制系统运行的变化，为后续的维修提供指导性意见。

控制性能评估技术是一个包含多个步骤的综合过程，主要分为时延估计、系统辨识、白噪声估计及最小方差计算等。

性能评估值计算中，时间延迟作为先验知识，可由工程经验估计得到，也可通过数值分析进行估计。常用的时延估计包括基于互相关的方法、有理函数逼近法、变量回归估计和基于高阶统计量的方法。以互相关方法为例，R(T)=E(y(t)u (t-T) )，使得互相关R(T)最大的T即可认为是时间延迟。

白噪声估计为计算最小方差服务，控制回路最小方差可看作是白噪声激励下的系统输出，是白噪声输出序列的有限项线性组合。白噪声可通过AR、ARMA等进行白化滤波估计得到，yt =的非线性系统，可以考虑从数据提取MARX模型:

式中d—时间延迟常数;

N—干扰函数;

Q—控制器函数;

T—被控对象函数无时滞项。

白噪声，计算得到，系统辨识过程中阶数可由AIC , BIC准则确定。

最小方差有很多计算方法，FCOR算法是其中较为经典的算法，理论上可达到的方差最小值为最小反馈不变量己经证明对于由非线性动态项和具有可加性的线性或部分非线性扰动组合而成的一类非线性系统，反馈不变量仍然存在。性能指标由计算得到。

虽然最小方差控制器的实际使用受各种因素限制，但并不影响它作为性能基准的使用。当指标指示当前控制性能良好，表明不必进行下一步的检测和诊断;否则，表明控制性能有提高的潜力，可通过调节控制器参数等手段加以改进。