一种基于广义动量观测法的泵类故障检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于广义动量观测法的泵类故障检测方法，使用拉格朗日法对一种电动机驱动典型离心泵系统进行动力学建模，然后在动力学模型基础上建立广义动量观测器，确定增益矩阵，最后通过观测到的广义动量对泵类设备的故障进行辨识。无需改变泵类设备原来结构，且无需添加额外的振动传感器、扭矩传感器等，仅需要对工作过程中非常容易得到的电机电流、转速等信息进行采集即可实现设备故障检测，并且通过调整增益矩阵还可以改变故障检测的灵敏程度，对于离心泵轴承松动、转子摩擦等典型故障实现良好辨识。障实现良好辨识。障实现良好辨识。

【技术实现步骤摘要】
一种基于广义动量观测法的泵类故障检测方法


[0001]本专利技术涉及一种故障检测技术，特别涉及一种基于广义动量观测法的泵类故障检测方法。

技术介绍

[0002]泵类设备作为一种能量转化设备，承担着输送流体或使流体增压的大部分工作，在社会各行各业中用途非常广泛，而泵类设备一旦发生故障，轻则渗液漏液，重则损坏整个系统给生产活动带来巨大损失，然而很多泵类设备的工作场景较为恶劣不适合人类长期值守，因此能自动进行故障检测的泵逐渐应运而生。
[0003]传统泵类设备需要具有故障检测等功能，需要在泵类设计阶段就将相应功能考虑进去，对泵类设备的结构进行特殊调整以满足传感器等感知设备的安装需求，此外泵类故障检测多通过采集振动信号，但引起振动的原因复杂，与故障之间的对应关系并不十分明确。

技术实现思路

[0004]针对依赖于传感器技术的泵类故障检测存在的问题，提出了一种基于广义动量观测法的泵类故障检测方法，从能量观测器的角度出发，在无需外加特殊传感器的基础上，通过广义动量观测器实现对故障信息检测。
[0005]本专利技术的技术方案为：一种基于广义动量观测法的泵类故障检测方法，具体包括如下步骤：
[0006]1)系统中驱动电机通过传动装置将驱动力传递给各个泵，根据实际系统构建电机、泵联合系统动力学模型，并辨识动力学参数；
[0007]2)基于上述动力学模型构建广义动量观测器：引入故障外力矩项，将动力学方程与广义动量观测器对应建立广义动量观测器，广义动量观测器中外力矩的观测量对应动力学方程中的故障外力矩项，P为期望广义动量P，为观测广义动量，即实际检测动量，K0为增益矩阵；
[0008]3)在步骤2)基础上模拟各种故障，推导增益矩阵K0对于观测器输出与故障外力矩项对应关系的影响；
[0009]4)不同的故障情况会产生不同的故障外力矩，通过步骤3)获得的观测器输出表征故障力矩τ
ext
，设置不同的触发阈值，实现对于不同故障的识别。
[0010]进一步，所述步骤1)中系统动力学模型使用拉格朗日法建立，电机与泵的拉格朗日函数在广义坐标中定义如下：
[0011]L＝T
‑
U
[0012]其中T、L、U代表系统的总动能、拉格朗日算子、总势能；
[0013]将动能表达式与势能表达式带入到拉格朗日算子得电机与泵动力学方程：
[0014]上式中，H为惯性矩阵，C为离心力和科氏力矩阵，G为重力项，τ为驱动力矩，为静态和动摩擦矩阵，τ
d
为误差以及外界干扰所引起的不确定项。
[0015]进一步，所述步骤2)中完全表征额外的故障力矩，即通过动量差实现对于故障力矩的监测，而动量仅需得到系统动力学模型中得到的惯性矩阵与速度信息，通过电机电流信息得到输出力矩的变化情况，实现对广义动量观测法的验证。
[0016]进一步，所述步骤3)中增益矩阵K0推导相当于一阶系统，采用不同的K0进行多组实验，从延时和误差两方面综合考虑，选取合适的增益矩阵K0。
[0017]本专利技术的有益效果在于：本专利技术基于广义动量观测法的泵类故障检测方法，无需改变泵类设备原来结构，且无需添加额外的振动传感器、扭矩传感器等，仅需要对工作过程中非常容易得到的电机电流、转速等信息进行采集即可实现设备故障检测，并且通过调整增益矩阵还可以改变故障检测的灵敏程度，对于离心泵轴承松动、转子摩擦等典型故障实现良好辨识。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施的场景示意图；
[0019]图2为本专利技术提供的一种基于广义动量观测法的泵类故障检测方法的流程图；
[0020]图3为本专利技术实施中电机泵设备转速控制仿真模型图；
[0021]图4为本专利技术基于广义动量的故障观测系统结构图；
[0022]图5为本专利技术轴上故障与观测器观测结果图。
具体实施方式
[0023]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0024]本专利技术基于广义动量观测法的泵类故障检测方法，首先，使用拉格朗日法对一种电动机驱动典型离心泵系统进行动力学建模，然后在动力学模型基础上建立广义动量观测器，确定增益矩阵，最后通过观测到的广义动量对泵类设备的故障进行辨识。
[0025]众所周知，物体的运动与力的作用密不可分，如图1所示实施的场景示意图，通过左侧的驱动电动机通过传动装置将驱动力传递给各个泵，构成电动机多联轴驱动泵系统，电动机与泵动力学模型正是描述了不同速度下泵轴的受力情况。由于泵类发生故障会导致轴上力矩发生非正常变化，通过对电机与泵动力学模型的建模，可以从更深层次出发，将泵类故障与轴上非正常力矩变化联系起来，通过广义动量观测法对系统广义动量进行观测，通过广义动量观测结果实现泵类故障检测。
[0026]另一种情况，电动机通过传动装置，同时驱动一大一小两个泵设备，由于两个泵处于不同的液体回路，工作工况复杂多变，极易产生密封松动、气蚀等故障，针对这些问题，通过动量观测器实现对于动量突变的观测，从而实现不同类型的故障检测。
[0027]如图2所示基于广义动量观测法的泵类故障检测方法的流程图，具体包括如下步
骤：
[0028]步骤S1：构建电机、泵联合系统动力学模型，并辨识动力学参数；
[0029]本专利技术使用拉格朗日法建立电机与泵动力学方程。电机与泵的拉格朗日函数(Lagrangian)可以在广义坐标中定义如下：
[0030]L＝T
‑
U
[0031]其中T、L、U代表系统的总动能、拉格朗日算子、总势能。拉格朗日方程表达式如下：
[0032][0033]其中，q
i
为广义坐标，对应位移角度，则为位移的导数，对应转速，τ
i
为与广义坐标q
i
相关的广义力。如图1所示，对每个旋转设备建立单独坐标系。上式建立起了作用在泵上广义力与转轴位置、速度和加速度之间的关系，根据该式并通过确定泵的动能和势能就可以推导电机与泵的动力学模型。
[0034]动能计算：旋转设备i动能为：
[0035][0036]其中，v
i
表示旋转体i的速度，ρ为体积微元dV的密度，V
li
为旋转设备i连杆的体积。
[0037]势能计算：主要包括系统重力势能：
[0038]系统中各个部件势能总和。
[0039]最后将动能表达式与势能表达式带入到拉格朗日算子可得：
[0040][0041]上式中，H为惯性矩阵，C为离心力和科氏力矩阵，G为重力项，τ为驱动力矩，为静态和动摩擦矩阵，τ
d
为误差以及外界干扰所引起的不确定项。为最终的电机与泵动力学方程。
[0042]在实际操作中使用Matlab构建电机与泵的动力学模型并进行速度控制及施加泵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于广义动量观测法的泵类故障检测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1)系统中驱动电机通过传动装置将驱动力传递给各个泵，根据实际系统构建电机、泵联合系统动力学模型，并辨识动力学参数；2)基于上述动力学模型构建广义动量观测器：引入故障外力矩项，将动力学方程与广义动量观测器对应建立广义动量观测器，广义动量观测器中外力矩的观测量对应动力学方程中的故障外力矩项，P为期望广义动量P，为观测广义动量，即实际检测动量，K0为增益矩阵；3)在步骤2)基础上模拟各种故障，推导增益矩阵K0对于观测器输出与故障外力矩项对应关系的影响；4)不同的故障情况会产生不同的故障外力矩，通过步骤3)获得的观测器输出表征故障力矩τ
ext
，设置不同的触发阈值，实现对于不同故障的识别。2.根据权利要求1所述基于广义动量观测法的泵类故障检测方法，其特征在于，所述步骤1)中系统动力学模型使用拉格朗日法建立，电机与泵的拉格朗日...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晨，章建峰，刘彬，张屿潇，范松伟，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇四研究所，
类型：发明
国别省市：