本發(fā)明屬于信號(hào)診斷，特別是涉及一種基于差值聯(lián)合分布的余度信號(hào)偏差故障診斷延時(shí)閾值計(jì)算方法及其通道切換控制流程。

背景技術(shù)：

1、在水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中，對(duì)重要信號(hào)采用冗余表決方式可有效提高系統(tǒng)可靠性及容錯(cuò)性能；由于冗余輸入具有多路備用信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，在某路信號(hào)發(fā)生故障時(shí)，可以啟用備用信號(hào)，維持設(shè)備正常運(yùn)行，提高設(shè)備可靠性，因此余度信號(hào)的故障檢測在設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行中極其重要。

2、現(xiàn)有的信號(hào)偏差故障診斷方法有：1，采用同一信號(hào)測量值越最低限或最高限判別法，適用于識(shí)別較為嚴(yán)重的信號(hào)斷線或信號(hào)超量程故障，故障識(shí)別范圍有限，僅能識(shí)別極端情況，無法識(shí)別一般信號(hào)偏差故障，不具有普遍適用性。此方法沒有充分發(fā)揮多路信號(hào)可相互參考比較的優(yōu)點(diǎn)；2，采用多路信號(hào)差值判定，但差值故障診斷閾值的設(shè)定主要依靠經(jīng)驗(yàn)，缺乏有效的理論依據(jù)，故難以保障其閾值設(shè)定的有效性，存在故障判定失效的隱患，影響設(shè)備的安全運(yùn)行。如若閾值設(shè)定過大，則有拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，即在出現(xiàn)信號(hào)故障時(shí)沒能及時(shí)檢測到并做出應(yīng)對(duì)措施，漏檢率過大，造成在信號(hào)故障存在很長時(shí)間都沒被發(fā)現(xiàn)的情況，致使設(shè)備長期帶病運(yùn)行而未覺，嚴(yán)重影響設(shè)備安全。若閾值設(shè)置過小，則有誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，即信號(hào)正常誤差范圍內(nèi)被判定為故障，即無法規(guī)避信號(hào)的正常誤差波動(dòng)而報(bào)警誤動(dòng)設(shè)備。造成虛警率過大，設(shè)備頻繁報(bào)警?，F(xiàn)存技術(shù)的問題是如何根據(jù)余度信號(hào)表決策略及偏差檢測方法，通過精確計(jì)算得到最優(yōu)的偏差故障診斷閾值，在滿足拒動(dòng)和誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)要求下，設(shè)計(jì)相應(yīng)的表決算法和故障切換流程，此問題到目前為止尚未得到完善的解決。因此，需要設(shè)計(jì)一種基于差值聯(lián)合分布的余度信號(hào)偏差故障診斷延時(shí)閾值計(jì)算方法及其通道切換控制流程來解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供基于差值聯(lián)合分布的余度信號(hào)偏差故障診斷延時(shí)閾值計(jì)算方法及其通道切換控制流程，該方法旨在兼顧拒動(dòng)和誤動(dòng)前提下，確定一種最優(yōu)的偏差故障閾值計(jì)算方法，構(gòu)建新的故障識(shí)別方法，解決余度信號(hào)偏差識(shí)別問題。根據(jù)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)，對(duì)冗余系統(tǒng)進(jìn)行建模計(jì)算；基于冗余信號(hào)差值的聯(lián)合正態(tài)分布理論，根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行要求，由差值條件概率，分別計(jì)算對(duì)應(yīng)的虛警率和漏檢率，確定最優(yōu)的偏差故障閾值，并編寫相應(yīng)的程序算法；據(jù)此構(gòu)建新穎優(yōu)化的故障檢測切換流程，實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別及信號(hào)通道切換功能，提高水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)效果，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、基于差值聯(lián)合分布的余度信號(hào)偏差故障診斷延時(shí)閾值計(jì)算方法及其通道切換控制流程，包括以下步驟：

4、s1，建立傳感器信號(hào)濾波后的概率分布；

5、s2，構(gòu)建信號(hào)差值的概率分布；

6、s3，推導(dǎo)故障識(shí)別率表達(dá)式；

7、s4，推導(dǎo)故障誤判率表達(dá)式；

8、s5，計(jì)算故障識(shí)別率的置信區(qū)間；

9、s6，計(jì)算故障誤判率的置信區(qū)間；

10、s7，故障判決域設(shè)定值計(jì)算；

11、s8，根據(jù)步驟7得到的判決域設(shè)定值，構(gòu)建信號(hào)故障切換程序，完成設(shè)備故障診斷及切換控制方式。

12、優(yōu)選地，步驟s1中，建立傳感器信號(hào)濾波后的概率分布的具體方法為：

13、記1#傳感器信號(hào)變量ξ1，2#傳感器信號(hào)變量ξ2，...，k#傳感器信號(hào)變量ξk；隨機(jī)變量ξ1，ξ2，...，ξk相互獨(dú)立，服從高斯分布；

14、已知ξ1～n(μ1,σ12)，ξ2～n(μ2,σ22)，...，取均值濾波后，

15、ξ1i,ξ2i,…,ξki服從n(μi,σi2),i＝1,…,n；

16、其中，表示j#傳感器均值濾波信號(hào)；j＝1,2,…,k，ξji表示j#傳感器信號(hào)的第i次采樣值；j＝1,2,…,k，i＝1,…,n；n表示信號(hào)濾波處理的采樣次數(shù)；

17、由于有限個(gè)相互獨(dú)立的正態(tài)隨機(jī)變量的的線性組合仍然服從正態(tài)分布，故隨機(jī)變量服從高斯分布；

18、由ξ1～n(μ1,σ12)，故隨機(jī)變量ξ1的特征函數(shù)計(jì)算值為：

19、

20、其中，為ξ1的分布密度函數(shù)；令則故y的特征函數(shù)計(jì)算值為：

21、

22、故的特征函數(shù)計(jì)算值為：

23、

24、可得同理，即傳感器均值濾波信號(hào)服從分布為：

25、

26、令j＝1,2,…,k，則其中，表示k#傳感器均值濾波信號(hào)的數(shù)學(xué)期望；表示k#傳感器均值濾波信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差；μj表示j#傳感器濾波信號(hào)的數(shù)學(xué)期望。

27、優(yōu)選地，步驟s2中，構(gòu)建信號(hào)差值的概率分布具體方法為：

28、記k#傳感器信號(hào)與1#傳感器信號(hào)取均值濾波后的差值為k#傳感器信號(hào)與k#傳感器信號(hào)取均值濾波后的差值為...，k#傳感器信號(hào)與(k-1)#傳感器信號(hào)取均值濾波后的差值為即概率分布為

29、

30、令其中：

31、

32、式中，為k#傳感器均值濾波信號(hào)分別與1#傳感器，2#傳感器，...，(k-1)#傳感器均值濾波信號(hào)之差的列向量；為k#傳感器均值濾波信號(hào)；令其中k階矩陣a為：

33、

34、代入計(jì)算出：

35、

36、通過上述矩陣計(jì)算出：

37、服從k元正態(tài)分布其中：

38、

39、

40、

41、

42、

43、

44、

45、通過上式可得：

46、

47、化簡為：

48、

49、由上式可得：

50、

51、通過上式可構(gòu)建：

52、

53、上式可轉(zhuǎn)換為：

54、

55、優(yōu)選地，步驟s3中，推導(dǎo)故障識(shí)別率表達(dá)式的具體方法為：

56、故障識(shí)別率表示某待檢測信號(hào)發(fā)生偏差故障時(shí)，能夠有效通過此信號(hào)與其余信號(hào)的差值信息檢測出來的概率，即在此信號(hào)偏差超出閾值時(shí)的條件下，此信號(hào)與其余信號(hào)差值超出閾值的條件概率，具體計(jì)算方法為：

57、已知服從三元正態(tài)分布其中是它的子向量；數(shù)學(xué)期望為協(xié)方差為下求在給定的條件下的分布密度函數(shù)做線性變換，令

58、則有：

59、

60、取得所求線性變換為：

61、

62、為求與分布密度函數(shù)，計(jì)算：

63、

64、

65、

66、有其中，由得：

67、

68、由得：

69、

70、令x2＝tk；

71、可得函數(shù)為：

72、

73、變換為：

74、

75、優(yōu)選地，步驟s4中，推導(dǎo)故障誤判率表達(dá)式的具體方法為：

76、故障誤判率是指在系統(tǒng)判定待檢測信號(hào)發(fā)生偏差故障，實(shí)際上信號(hào)是正常的，即在此信號(hào)與其余信號(hào)的差值超出閾值的條件下，此信號(hào)為正常的概率，即第一類錯(cuò)誤；具體計(jì)算過程為：

77、已知服從k元正態(tài)分布其中是它的子向量；數(shù)學(xué)期望為協(xié)方差為計(jì)算在給定的條件下的分布密度函數(shù)，具體方法為：

78、做線性變換，令則取則有所求線性變換為：

79、

80、將上式變換為：

81、

82、

83、

84、

85、進(jìn)一步求出：

86、

87、

88、其中進(jìn)一步求出：即：

89、

90、其中

91、

92、

93、

94、

95、

96、

97、基于各傳感器同型號(hào)產(chǎn)品的方差相同，即可得出：

98、

99、進(jìn)一步求出：

100、

101、令x2＝x2；即

102、

103、進(jìn)一步求出：

104、

105、其中令：

106、

107、進(jìn)一步求出：

108、

109、優(yōu)選地，步驟s5中，計(jì)算故障識(shí)別率的置信區(qū)間的具體方法為：由式(5)可得：

110、

111、令則

112、

113、當(dāng)tk＝β≥0時(shí)，有：

114、

115、當(dāng)tk＝-β＜0時(shí)，有：

116、

117、綜合上式進(jìn)行計(jì)算得出：

118、

119、優(yōu)選地，步驟s6中，計(jì)算故障誤判率的置信區(qū)間的具體方法為：

120、令由式(6)可得出：

121、

122、進(jìn)一步可得：

123、

124、分段計(jì)算：

125、(1)t1＝t2＝…＝tk-1＝α；

126、

127、令則有：

128、

129、(2)t1＝t2＝-α；

130、

131、令則有：

132、

133、進(jìn)一步地可得：

134、

135、優(yōu)選地，步驟s7中，故障判決域設(shè)定值計(jì)算的具體方法為：

136、設(shè)定故障誤判率為n年一遇，故障識(shí)別最大容許延時(shí)為t，控制器的執(zhí)行周期為τ毫秒，n年連續(xù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集量為s次，計(jì)算公式為：

137、

138、查正態(tài)分布表，選擇合適的b＞0,β＝bσ值，使得：

139、s(1-φ(β))×2＝s(1-φ(bσ))×2＜2；即infβs.t.s(1-φ(βσ))×2＜2；

140、計(jì)算故障識(shí)別延時(shí)的期望時(shí)間：

141、延時(shí)m個(gè)周期，由公式(3)得：

142、

143、計(jì)算故障識(shí)別延時(shí)所需的掃描周期的期望值：

144、記nk為故障連續(xù)發(fā)生k次所需的次數(shù)，e(nknk-1)＝nk-1+p+(1-p)(1+e(nk))；

145、兩邊取期望，得e(nk)＝e(nk-1)+p+(1-p)(1+e(nk))；即解得則故障識(shí)別延時(shí)的所需得掃描周期的期望值為：

146、

147、故障識(shí)別延時(shí)的期望時(shí)間為：

148、

149、令u＝γ-1,u＞1,m≥2；故n·τ＝(u+u2+…+um)·τ≤t,u＞1,m≥2；

150、進(jìn)一步計(jì)算出：

151、即

152、即選取合適的取合適的a,a＞b＞0值，即α＝aσ，滿足以下公式：

153、

154、優(yōu)選地，步驟s8中，故障判斷切換流程如下：

155、s801，當(dāng)前優(yōu)選輸出信號(hào)為第k路，分別執(zhí)行第一判定流程和第二判定流程；

156、第一判定流程為：

157、11，分別用第k路信號(hào)均值減去第i路信號(hào)得到差值，用差值和βσ進(jìn)行比較，i＝1,2,3，…，k-1；若全部差值＞βσ，則進(jìn)入下一步；否則回到步驟s801；

158、12，引入第k路信號(hào)偏差故障報(bào)警，并退出備擇信號(hào)池；

159、13，選擇當(dāng)前優(yōu)選輸出信號(hào)為第k-1路；

160、14，分別用第k-1路信號(hào)均值減去第i路信號(hào)得到差值，用差值和βσ進(jìn)行比較，i＝1,2,3，…，k-2；若全部差值＞βσ，則進(jìn)入下一步；否則回到步驟13；

161、15，令k＝k-1，回到步驟12；

162、16，循環(huán)步驟12～步驟15，k＝3時(shí)完成最后一次循環(huán)；

163、17，輸出第1、第2路中數(shù)值更大的一路作為優(yōu)選輸出信號(hào)；

164、第二判定流程為：

165、21，分別用第k路信號(hào)均值減去第i路信號(hào)得到差值，用差值和βσ進(jìn)行比較，i＝1,2,3，…，k-1；若全部差值＜-βσ，則進(jìn)入下一步；否則回到步驟s801；

166、22，引入第k路信號(hào)偏差故障報(bào)警，并退出備擇信號(hào)池；

167、23，選擇當(dāng)前優(yōu)選輸出信號(hào)為第k-1路；

168、24，分別用第k-1路信號(hào)均值減去第i路信號(hào)得到差值，用差值和βσ進(jìn)行比較，i＝1,2,3，…，k-2；若全部差值＜-βσ，則進(jìn)入下一步；否則回到步驟23；

169、25，令k＝k-1，回到步驟22；

170、26，循環(huán)步驟22～步驟25，k＝3時(shí)完成最后一次循環(huán)；

171、27，輸出第1、第2路中數(shù)值更大的一路作為優(yōu)選輸出信號(hào)。

172、本發(fā)明的有益效果如下：

173、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)偏差的故障檢測，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的表決算法和故障切換流程，解決傳統(tǒng)故障識(shí)別方式所固有的難題，保證系統(tǒng)可靠性和輸出信號(hào)的有效性，優(yōu)化水電機(jī)組的工作性能。。