李世偉，高 征，尚群立

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310023)

0 引言

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的重要器件，對(duì)控制系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行有著重要的影響。而定位器作為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的大腦，通過接收設(shè)定信號(hào)進(jìn)行閥位控制，并通過反饋信號(hào)判斷閥位是否到達(dá)設(shè)定閥位。若定位器出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥靈敏度降低，性能不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)沒有輸出信號(hào)的現(xiàn)象。而定位器中的反饋桿始終跟隨閥桿頻繁運(yùn)動(dòng)，極其容易出現(xiàn)松動(dòng)的問題。因此氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器反饋桿松動(dòng)故障的問題分析，對(duì)于提高調(diào)節(jié)閥運(yùn)行的可靠性和減少故障運(yùn)行機(jī)率具有重要的意義。

現(xiàn)如今，診斷閥門發(fā)生故障的方法主要還是通過定期停機(jī)檢修[1]。而定期檢修的方式存在很多弊端：1)故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，發(fā)現(xiàn)故障時(shí)閥門可能已一段時(shí)間，會(huì)減少閥門的使用壽命；2)定期檢修勢(shì)必會(huì)使生產(chǎn)停機(jī)，造成一定的損失；3)定期檢修不一定能發(fā)現(xiàn)閥門故障，有些故障只有當(dāng)閥門運(yùn)行在某些特定工況下才會(huì)發(fā)生，故停機(jī)檢修時(shí)閥門故障不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，從而無(wú)法發(fā)現(xiàn)故障[2-4]。因此，如何在不影響生產(chǎn)的前提下，對(duì)閥門進(jìn)行故障診斷至關(guān)重要。工業(yè)生產(chǎn)中已出現(xiàn)一些在線故障診斷的實(shí)例[5-6]。王振偉[7]等人通過改進(jìn)灰色預(yù)測(cè)的方法診斷諧振陀螺這種周期性信號(hào)故障，鄭大勇[8]等人通過差模漏電電流的方法對(duì)交流電機(jī)定子絕緣故障進(jìn)行在線診斷，武玉才[9]等人通過加裝U型線圈對(duì)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障進(jìn)行在線診斷，但都是針對(duì)水泵、軸承這類旋轉(zhuǎn)和往復(fù)機(jī)械類故障，而反饋桿松動(dòng)的故障的特性為非平穩(wěn)、非周期信號(hào)。

目前關(guān)于診斷松動(dòng)的問題主要還是通過振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，顏君凱[10]等人通過振動(dòng)信號(hào)對(duì)變壓器繞組松動(dòng)故障進(jìn)行診斷。針對(duì)定位器的反饋桿松動(dòng)故障，閥門安裝在管路上，反饋桿松動(dòng)只是定位器連接部件之間的松動(dòng)無(wú)法通過振動(dòng)體現(xiàn)[11]。

針對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器反饋桿松動(dòng)故障的問題，本文提出了一種基于小波分析的在線診斷方法。該方法利用小波分析方法通過對(duì)采集的閥位反饋信號(hào)進(jìn)行分解，提取其中具有代表性的細(xì)節(jié)系數(shù)，作為特征信號(hào)進(jìn)行分段計(jì)算平均值A(chǔ)V、方差VAR、均方根RMS具體數(shù)值，采用Smoothing Spline(平滑逼近)的方法擬合，劃分正常狀態(tài)運(yùn)行區(qū)與故障狀態(tài)運(yùn)行區(qū)。通過運(yùn)行區(qū)域的具體劃分實(shí)現(xiàn)故障的在線診斷[12-13]。

1 小波函數(shù)算法

1.1 小波分析的理論基礎(chǔ)

小波分析是在短時(shí)傅里葉變換理論的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)的一種窗口大小固定不變，但其形狀可以改變的時(shí)域頻域局部化分析變換算法[14-16]。小波就是在較短時(shí)間區(qū)間上具有振蕩的波，用來(lái)表示小波的函數(shù)稱為小波函數(shù)。相較于傅里葉變換理論，小波分析將無(wú)限長(zhǎng)的三角函數(shù)基更換為有限長(zhǎng)的會(huì)衰減的小波基，不僅能夠獲取頻率，也可以定位到時(shí)間。它在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，由于這種特性的存在，小波變換具有對(duì)信號(hào)的具有很高的自適應(yīng)性，被認(rèn)為是進(jìn)行非線性、非平穩(wěn)性信號(hào)處理的理想工具。

以下為小波變換的具體含義：

假設(shè)存在函數(shù)φ(t)，滿足式(1)的可容許條件：

其中函數(shù)φ(t)為平方可積函數(shù)，即φ(t)∈L2(R)。

(1)

式中，函數(shù)Ψ(ω)為函數(shù)φ(t)的傅里葉變換，而φ(t)被稱為1個(gè)小波母函數(shù)或者小波基函數(shù)。在小波分析中重要的是小波基函數(shù)的選取，采用不同的小波基函數(shù)進(jìn)行小波變換會(huì)有不同結(jié)果。將任意函數(shù)f(t)在小波基函數(shù)下展開，即為函數(shù)f(t)的連續(xù)小波變換，主要過程如下：

(2)

(3)

從上式可以看出，小波變換的變量是尺度α和平移量τ，尺度α控制小波函數(shù)的伸縮，平移量τ控制小波函數(shù)的平移。其基本含義為：將基本小波的函數(shù)φ(t)做位移τ后，在不同尺度α下與待分析信號(hào)z(t)做內(nèi)積。

尺度參數(shù)α選取需大于0。α增大時(shí)，時(shí)窗伸展，頻寬收縮，帶寬變窄，中心頻率會(huì)降低，而頻率分辨率會(huì)增高；α減小時(shí)則帶寬增加，中心頻率升高，時(shí)間分辨率增高的同時(shí)頻率分辨率降低。這恰恰符合實(shí)際問題中高頻信號(hào)的持續(xù)時(shí)間短、低頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的自然規(guī)律。所以當(dāng)與固定時(shí)窗的短時(shí)傅立葉變換相比時(shí)，小波變換顯現(xiàn)出在時(shí)頻分析領(lǐng)域不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 在線故障診斷的實(shí)現(xiàn)

在工業(yè)閉環(huán)控制回路中，發(fā)生閥門閥桿松動(dòng)故障的閥位信號(hào)具有非周期、非平穩(wěn)的特點(diǎn)，在線故障診斷技術(shù)需要在不影響閥門生產(chǎn)使用的前提下將閥門閥位信號(hào)進(jìn)行快速分析處理，并能夠分辨出故障發(fā)生點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外還沒有對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥桿松動(dòng)故障在線診斷研究的案例，僅局限于離線診斷；而小波分析方法使用簡(jiǎn)便，占用計(jì)算機(jī)資源少，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后可以清晰地得到故障發(fā)生時(shí)刻與故障發(fā)生區(qū)，是一種省時(shí)省資源且結(jié)果判斷明確的故障診斷方法。

該診斷方法具有以下幾種步驟：

1)確定小波基函數(shù)。小波變換是小波分析的核心，是時(shí)間和頻率的局部變換，小波分析通過時(shí)頻變換能夠有效的從檢測(cè)數(shù)據(jù)中提取特征信息，廣泛的應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域[17-19]。常用的小波函數(shù)有Morlet、Mexican Hat、MeyerHaar、Daubechies(dbN)、Symlets(symN)等。本文選取閥位反饋信號(hào)作為特征信號(hào)，發(fā)生故障時(shí)刻閥位反饋信號(hào)屬于沖擊響應(yīng)信號(hào)。對(duì)于沖擊響應(yīng)信號(hào)，所用的小波基函數(shù)波形越接近沖擊性信號(hào)的形狀就越能提取信號(hào)的故障特征[20]。因此，本文選用db3小波基函數(shù)。db3小波函數(shù)如圖1所示。

圖1 db3小波函數(shù)

2)小波分解過程。小波分解實(shí)質(zhì)上就是對(duì)原始信號(hào)用兩個(gè)濾波器進(jìn)行分尺度運(yùn)算，小波分解過程中所選用的小波基函數(shù)決定了兩個(gè)濾波器的實(shí)際頻率響應(yīng)形狀。由高通濾波器產(chǎn)生細(xì)節(jié)信號(hào)，即原始信號(hào)的高頻成分；由低通濾波器產(chǎn)生近似信號(hào)，即原始信號(hào)的低頻成分。

小波變換可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行多層分解變換，自定義一個(gè)分解層數(shù)，當(dāng)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行一層小波分解得到高頻成分和低頻成分之后，再將低頻成分同樣分解為高頻和低頻部分，以此類推，直到完成所自定義的分解層數(shù)，小波分解整體過程如圖2所示。

圖2 小波分解過程圖

3)提取其中的特征細(xì)節(jié)系數(shù)，分段計(jì)算特征細(xì)節(jié)系數(shù)平均值(AV，average value)、方差(VAR，variance)、均方根(RMS，root mean square)指標(biāo)。

4)平滑樣條擬合，確定故障發(fā)生時(shí)間點(diǎn)，并通過擬合后的曲線區(qū)分故障發(fā)生區(qū)和正常狀態(tài)運(yùn)行區(qū)。

2 系統(tǒng)建模與分析

2.1 模型搭建

以氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的組成部件及工作機(jī)理為基礎(chǔ)，并結(jié)合牛頓力學(xué)，氣體熱力學(xué)等知識(shí)建立氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥仿真模型。并通過仿真平臺(tái)搭建模型。通過仿真模型驗(yàn)證選取的閥位反饋信號(hào)作為故障診斷的信號(hào)，進(jìn)行小波分析的可行性。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥Simulink仿真模型如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥Simulink仿真模型

該模型輸入為閥位設(shè)定信號(hào)，通過定位器內(nèi)部運(yùn)算轉(zhuǎn)化為流入閥門氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室的具體氣體質(zhì)量流量信號(hào)；流入氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣體流量改變氣室的氣壓，推動(dòng)薄膜運(yùn)動(dòng)，氣室薄膜進(jìn)而推動(dòng)閥桿運(yùn)動(dòng)，最終輸出閥位反饋信號(hào)。閥位反饋信號(hào)負(fù)反饋進(jìn)入定位器模塊，以判斷閥位是否到達(dá)設(shè)定的閥位。

本故障為閥門定位器的反饋桿松動(dòng)，故障的引入點(diǎn)在閥位位移信號(hào)負(fù)反饋到定位器這個(gè)中間過程中。反饋桿松動(dòng)的故障表現(xiàn)形式為具體連接處存在間隙，所以在故障發(fā)生時(shí)刻之后加入一個(gè)固定的間隙模塊。

為滿足氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)際工況，因此所選的頻率不能大于待測(cè)閥的截止頻率(0.22 Hz)，故仿真所用正弦信號(hào)為(頻率0.20 Hz)：

y=25+10* sin(0.4*pi*t)，t∈(0，100s)

(4)

2.2 正弦信號(hào)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

采用式(4)描述的正弦信號(hào)作為設(shè)定信號(hào)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，在第60 s時(shí)刻引入氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器反饋桿松動(dòng)故障。對(duì)0～100 s內(nèi)的閥位信號(hào)進(jìn)行小波分解，頻域分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 閥位信號(hào)小波分解

閥位信號(hào)小波分解如圖4所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)分別為閥位和小波基函數(shù)db3對(duì)閥位信號(hào)6層分解的d6、d5細(xì)節(jié)系數(shù)?？梢钥吹絛6細(xì)節(jié)系數(shù)與d5細(xì)節(jié)系數(shù)對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥反饋桿松動(dòng)故障有明顯的辨別能力。結(jié)果顯示，細(xì)節(jié)信號(hào)d6和d5在60 s 處，有明顯變化，能準(zhǔn)確檢測(cè)閥門閥桿松動(dòng)故障發(fā)生時(shí)刻。

選擇d6細(xì)節(jié)系數(shù)并通過對(duì)d6細(xì)節(jié)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算其平均值A(chǔ)V、方差VAR、均方根值RMS(整流數(shù)據(jù)寬度為1 000個(gè)點(diǎn))，之后通過Smoothing Spline(平滑逼近)進(jìn)行擬合，獲得AV曲線、VAR曲線、RMS曲線。3種曲線具體結(jié)果如圖5所示。

圖5 d6細(xì)節(jié)系數(shù)AV、VAR、RMS曲線

結(jié)果顯示，擬合曲線均在第60 s時(shí)刻時(shí)有明顯突變，這與實(shí)際故障發(fā)生的時(shí)刻相一致，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到故障發(fā)生的時(shí)刻并區(qū)分出故障發(fā)生區(qū)與正常狀態(tài)運(yùn)行區(qū)。

2.3 隨機(jī)信號(hào)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

設(shè)定閥位信號(hào)為一組隨機(jī)信號(hào)，引入故障發(fā)生時(shí)間依舊設(shè)定為第60 s。頻域分析測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 閥位信號(hào)小波分解

結(jié)果表明，通過d6細(xì)節(jié)系數(shù)與d5細(xì)節(jié)系數(shù)可以觀察到在60 s處有明顯變化，能準(zhǔn)確檢測(cè)閥門閥桿松動(dòng)故障發(fā)生時(shí)刻，對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥反饋桿松動(dòng)故障有明顯的辨別能力。

總體仿真結(jié)果表明，選取閥位信號(hào)作為特征信號(hào)，采用小波分析的信號(hào)處理方法，選取d6細(xì)節(jié)系數(shù)作為特征信號(hào)能有效且直觀判斷氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥反饋桿松動(dòng)故障發(fā)生時(shí)刻，進(jìn)一步處理將d6細(xì)節(jié)系數(shù)作為特征信號(hào)分段進(jìn)行平均值、方差VAR、均方根值RMS計(jì)算。通過擬合后的曲線可以明顯確定故障的發(fā)生時(shí)刻，并最終辨別出調(diào)節(jié)閥閥桿故障發(fā)生區(qū)和正常狀態(tài)運(yùn)行區(qū)。

3 閉環(huán)回路臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

對(duì)于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器反饋桿松動(dòng)故障的在線診斷實(shí)驗(yàn)研究，首先應(yīng)明確在線故障診斷中“在線”的基本含義，所謂的在線運(yùn)行必須滿足3個(gè)條件：

1)閥體中必須有介質(zhì)流過，即帶負(fù)載運(yùn)行。

2)調(diào)節(jié)閥需處于閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3)調(diào)節(jié)閥由閉環(huán)控制系統(tǒng)控制。

3.1 硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

搭建水箱液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)為閥門定位器反饋桿松動(dòng)故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，液位閉環(huán)控制回路搭建原理如圖7所示。

圖7 液位閉環(huán)控制方框圖

在水箱液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，輸入信號(hào)為水箱的設(shè)定液位，通過調(diào)節(jié)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的具體開度，控制入水流量的大小，對(duì)液位進(jìn)行在線調(diào)控。在上述液位閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，流入水箱的兩路分別為主供水路和干擾水路。其中水箱的液位控制，通過水箱的液位傳感器的實(shí)際液位與設(shè)定液位相比較，經(jīng)過PID算法運(yùn)算調(diào)節(jié)主給水泵后的調(diào)節(jié)閥開度，進(jìn)而控制進(jìn)水流量，實(shí)現(xiàn)液位穩(wěn)定。

采用搭建完成的閥門定位器故障診斷系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。其中所使用的主要設(shè)備包含液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的水箱；主供水泵；閥前壓力表；智能氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器；氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥體；閥后壓力表；電磁流量計(jì)；渦輪流量計(jì)；干擾流量水泵；閥位反饋裝置；信號(hào)采集系統(tǒng)以及其余組成部分，主要為調(diào)節(jié)閥供氣管路和一些起連接作用的金屬和塑料管道。

3.2 故障設(shè)計(jì)

閥門定位器和調(diào)節(jié)閥組成了一個(gè)具有負(fù)反饋環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制回路，其中反饋桿就是控制回路的反饋單元，通過反饋桿輸出的閥位反饋信號(hào)與設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)兩者有偏差時(shí)，改變其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，建立了閥桿位移量與控制器輸出信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

對(duì)于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器反饋桿松動(dòng)故障的現(xiàn)實(shí)模擬，可以通過擰松反饋桿與定位器之間的緊固螺絲實(shí)現(xiàn)，其具體實(shí)施措施如圖8所示。通過擰松緊固螺絲，可以使兩者脫離剛性連接，最終導(dǎo)致閥桿的直線運(yùn)動(dòng)無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地反饋到定位器的擺桿上，使反饋環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。

圖8 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥反饋桿松動(dòng)故障模擬

3.3 在線故障診斷過程

1)設(shè)定液位，調(diào)整PID參數(shù)，使整個(gè)液位閉環(huán)控制系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)；

2)待液位達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，擰松定位器與反饋桿之間的緊固螺絲來(lái)人為制造故障點(diǎn)，同時(shí)記錄此時(shí)刻以待和分析結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證；

3)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄實(shí)驗(yàn)過程中閥位反饋信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后擰緊定位器與反饋桿之間的緊固螺絲，恢復(fù)原狀；

4)數(shù)據(jù)分析處理，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行小波變換的分析過程，最終通過結(jié)果判斷故障發(fā)生時(shí)刻并區(qū)分故障發(fā)生區(qū)與正常狀態(tài)運(yùn)行區(qū)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證該故障診斷方法在實(shí)際在線閉環(huán)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)變化對(duì)診斷結(jié)果的影響。通過對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行在不同的工況點(diǎn)(液位設(shè)定點(diǎn)或閥門開度點(diǎn))、不同的控制器參數(shù)(控制系統(tǒng)性能)、并且在干擾作用下驗(yàn)證在線運(yùn)行情況下故障診斷方法的系統(tǒng)性及完備性。

4.1 實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：在液位控制系統(tǒng)選取較好的控制器參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

本次實(shí)驗(yàn)首先設(shè)定一組較好PI控制參數(shù)：P=5，I=0.01；設(shè)定液位為20 cm；引入閥桿松動(dòng)故障時(shí)刻為第47 s時(shí)；引入干擾時(shí)刻為第70 s時(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 液位與閥位信號(hào)

由圖9可知：液位響應(yīng)曲線在20 s之后進(jìn)入液位穩(wěn)定狀態(tài)，液位進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后閥位進(jìn)行微小調(diào)節(jié)，直至70 s時(shí)出現(xiàn)微小波動(dòng)，隨后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。根據(jù)實(shí)際步驟操作可知故障信號(hào)在47 s時(shí)引入，而干擾流量在70 s左右加入。

干擾信號(hào)的加入會(huì)使回路中的液位響應(yīng)曲線出現(xiàn)波動(dòng)；若僅從時(shí)域信號(hào)的角度去分析，故障發(fā)生前后的閥位信號(hào)雖有細(xì)小差異，但無(wú)法將故障發(fā)生前后區(qū)域明確的分離；所以要對(duì)閥位信號(hào)進(jìn)行頻域分析，如圖10為閥位信號(hào)的小波分解圖，可以看出調(diào)節(jié)閥反饋桿松動(dòng)故障出現(xiàn)后，小波信號(hào)的毛刺明顯出現(xiàn)減小。

圖10 閥位信號(hào)小波分解

選取其中的d6細(xì)節(jié)系數(shù)作為特征信號(hào)進(jìn)行分段計(jì)算平均值A(chǔ)V、方差VAR、均方根值RMS。然后分別做Smoothing Spline(平滑逼近)進(jìn)行擬合，擬合曲線結(jié)果如圖11所示。

圖11 d6特征細(xì)節(jié)系數(shù)AV、VAR、RMS曲線

圖11中AV曲線結(jié)果顯示，AV曲線會(huì)在第47 s時(shí)刻發(fā)生突變，并且以直線AV=0.3和直線t=47為界限區(qū)分，R區(qū)為正常狀態(tài)運(yùn)行區(qū)，F(xiàn)區(qū)為閥桿松動(dòng)故障狀態(tài)運(yùn)行區(qū)。可以明確判斷氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器反饋桿松動(dòng)故障發(fā)生時(shí)刻為t=47 s。

圖11中VAR結(jié)果顯示，VAR曲線在第47 s時(shí)刻發(fā)生突變，并且以直線VAR=0.25和直線t=47為界限區(qū)分，R區(qū)為正常狀態(tài)運(yùn)行區(qū)，F(xiàn)區(qū)為閥桿松動(dòng)故障狀態(tài)運(yùn)行區(qū)?？梢悦鞔_判斷氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器反饋桿松動(dòng)故障發(fā)生時(shí)刻為t=47 s。

圖11中RMS結(jié)果顯示，RMS曲線在第47 s時(shí)刻發(fā)生突變，并且以直線RMS=0.4和直線t=47為界限區(qū)分，R區(qū)為正常狀態(tài)運(yùn)行區(qū)，F(xiàn)區(qū)為閥桿松動(dòng)故障狀態(tài)運(yùn)行區(qū)，可以明確判斷氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器反饋桿松動(dòng)故障發(fā)生時(shí)刻為t=47 s。

根據(jù)上述結(jié)果可知：該氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在運(yùn)行過程中發(fā)生氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器反饋桿松動(dòng)故障時(shí)刻為t=47 s時(shí)，與實(shí)際情況吻合。劃分并規(guī)定R區(qū)為正常狀態(tài)運(yùn)行區(qū)，F(xiàn)區(qū)為故障狀態(tài)運(yùn)行區(qū)。

4.2 實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：在液位控制系統(tǒng)選取較差的控制器參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)定一組較差PI控制參數(shù)：P=5，I=0.03；

設(shè)定液位為20 cm；引入閥桿松動(dòng)故障時(shí)刻為第48 s時(shí)；引入干擾時(shí)刻為第70 s時(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 液位與閥位信號(hào)

由圖12可知，液位響應(yīng)曲線在25 s之后進(jìn)入液位穩(wěn)定狀態(tài)，液位進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后閥位進(jìn)行微小調(diào)節(jié)，直至70 s時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，隨后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。根據(jù)實(shí)際步驟操作可知故障信號(hào)在47 s時(shí)引入，而干擾流量在70 s左右加入。

對(duì)選取的閥位信號(hào)進(jìn)行頻域分析，閥位信號(hào)小波分解如圖13所示。

圖13 閥位信號(hào)小波分解

從圖13中可以看到氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥反饋桿松動(dòng)故障出現(xiàn)后，小波信號(hào)的毛刺明顯減小。選取其中d6細(xì)節(jié)系數(shù)作為特征信號(hào)進(jìn)行分段計(jì)算，本次只計(jì)算平均值A(chǔ)V。然后將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行Smoothing Spline(平滑逼近)擬合處理，得到擬合后的AV曲線如圖14所示。

圖14 d6特征細(xì)節(jié)系數(shù)AV曲線

圖14中結(jié)果顯示，AV曲線在第48 s時(shí)刻發(fā)生突變，并且以直線AV=0.35和直線t=48為界限區(qū)分，其中R區(qū)為正常狀態(tài)運(yùn)行區(qū)，F(xiàn)區(qū)為氣室漏氣故障狀態(tài)運(yùn)行區(qū)，調(diào)節(jié)閥定位器反饋桿松動(dòng)故障發(fā)生時(shí)刻為t=48 s；分析結(jié)果與設(shè)定信息一致。

4.3 實(shí)驗(yàn)三

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：在液位控制系統(tǒng)中設(shè)定不同液位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)定一組較好的PI控制參數(shù)：P=5，I=0.01；

設(shè)定液位改變?yōu)?5 cm；引入閥桿松動(dòng)故障時(shí)刻為第45 s時(shí)；引入干擾時(shí)刻為第70 s時(shí)。試驗(yàn)及分析結(jié)果如圖15所示。

圖15 液位與閥位信號(hào)

圖15為液位信號(hào)和閥位信號(hào)的曲線圖。結(jié)果顯示，在第45 s引入閥桿松動(dòng)故障后，液位有著明顯的凸起變化；在第70 s引入干擾后，閥位有明顯波動(dòng)變化。

圖16為選取的閥位信號(hào)小波分解結(jié)果圖，結(jié)果表明，在第45 s時(shí)刻后小波圖形的毛刺明顯減少。

圖16 閥位信號(hào)小波分解

圖17為選取其中的d6細(xì)節(jié)系數(shù)作為特征信號(hào)后進(jìn)行分段計(jì)算，并進(jìn)行得出的平均值A(chǔ)V數(shù)據(jù)進(jìn)行Smoothing Spline(平滑逼近)擬合處理后的曲線圖。結(jié)果表明，AV曲線在第45 s時(shí)刻發(fā)生突變，并且以直線AV=0.25和直線t=45為界限區(qū)分，其中R區(qū)為正常狀態(tài)運(yùn)行區(qū)，F(xiàn)區(qū)為氣室漏氣故障狀態(tài)運(yùn)行區(qū)，可以明確判斷調(diào)節(jié)閥定位器反饋桿松動(dòng)故障發(fā)生時(shí)刻為t=45 s，分析結(jié)果與設(shè)定信息一致。

圖17 d6特征細(xì)節(jié)系數(shù)AV曲線

上述實(shí)驗(yàn)表明，在不同工況點(diǎn)以及不同閉環(huán)控制性能條件下，都能得出一致的結(jié)論：若AV曲線，VAR曲線和RMS曲線在某一時(shí)刻發(fā)生了較為明顯的突變，并且突變前后曲線有著明確的劃分界限，能夠?qū)⒄顟B(tài)運(yùn)行區(qū)(R區(qū))和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器反饋桿松動(dòng)故障狀態(tài)運(yùn)行區(qū)(F區(qū))明顯區(qū)分，發(fā)生突變的時(shí)刻即為故障發(fā)生時(shí)刻。經(jīng)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)論一致，并且該故障診斷方法在實(shí)際在線閉環(huán)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)變化對(duì)診斷結(jié)果并無(wú)影響，小波分析方法在氣動(dòng)調(diào)節(jié)定位器反饋桿松動(dòng)故障在線檢測(cè)中具有有效性以及準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器反饋桿松動(dòng)的故障，通過小波分解的方法，對(duì)故障進(jìn)行仿真和在線閉環(huán)實(shí)驗(yàn)研究得出以下結(jié)論：

1)反饋桿松動(dòng)故障的問題可以通過閥位反饋信號(hào)進(jìn)行小波分解，小波基函數(shù)db3，6層分解后的d6細(xì)節(jié)系數(shù)可以作為診斷指標(biāo)。

2)通過對(duì)d6細(xì)節(jié)系數(shù)分段計(jì)算AV值，對(duì)AV值進(jìn)行曲線擬合可以劃分出正常區(qū)與故障區(qū)，通過曲線突變時(shí)刻明確找到故障發(fā)生時(shí)刻。

3)經(jīng)過在線閉環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在不同工況、不同閉環(huán)控制系統(tǒng)參數(shù)下均可對(duì)該故障進(jìn)行有效的診斷。