[發明專利]基于定量結構模型的故障診斷系統傳感器優化配置方法

有效

• 申請號: 201610059103.4
• 申請日: 2016-01-28
• 公開（公告）號: CN105678423B
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發明（設計）人: 謝蓉;孫無忌;李婷;王劍;王新民
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

1.一種基于定量結構模型的故障診斷系統傳感器優化配置方法，其特征在于步驟如下：

步驟一 建立由解析冗余關系矩陣B和故障特征矩陣M描述的故障診斷系統的結構模型：

（ 1） .系統的解析冗余關系集合為A＝{a₁,a₂,...a_m}、完備傳感器集合為S＝{s₁,s₂,...,s_n}和故障集合為F＝{f₁,f₂,...,f_p}，a_i表示第i個解析冗余關系，s_j表示第j個傳感器配置位置，f_k表示第k類故障；

（ 2） .建立解析冗余關系矩陣B＝[b_ij]_m×n，矩陣的列表示可測變量或傳感器，行表示系統的解析冗余關系，b_ij＝1表示解析冗余關系式a_i中含有可測變量s_j，b_ij＝0則表示解析冗余關系式a_i中不包含可測變量s_j；

（ 3） .建立故障特征矩陣M＝[m_jk]_m×p，表示任一故障f_k的故障特征，m_ik＝1表示故障f_k的出現會影響到解析冗余關系a_i，此時a_i不是滿足的，m_ik＝0表示故障f_k的出現不會影響到解析冗余關系a_i；

步驟二 求解考慮檢測不確定性的故障診斷系統關鍵性能指標—故障檢測率FDR和故障隔離率FIR：

（ 1） .故障診斷系統的可檢測故障集合F_D和可隔離故障集合F_I，故障診斷系統性能指標—故障檢測率FDR和故障隔離率FIR的計算公式：

其中，λ為故障率，即單位時間內發生的故障數；Q_k為故障f_k總的可檢測率，計算公式為：

其中，R_i表示第i個解析冗余關系的檢測可靠性；d_ik為解析冗余關系a_i對故障f_k的可測性；m是解析冗余關系的個數；

所述解析冗余關系檢測可靠性R_i的計算公式為：

其中，R_i表示第i個解析冗余關系的檢測可靠性；r_j表示第j個傳感器的失效率；x_j是第j個傳感器的配置個數；n是可測變量的個數；b_ij是解析冗余關系矩陣中的元素， 根據計算公式，可以得到與解析冗余關系集合A＝{a₁,a₂,...a_m}相對應的檢測可靠性矢量DR＝[R₁,R₂,...R_m]；

所述故障可測性d_ik的計算公式為：

其中，d_ik為解析冗余關系a_i對故障f_k的可測性；TTD_ik為故障f_k初始時刻到解析冗余關系a_i檢測到該故障的時間跨度；SyD_ik為解析冗余關系a_i檢測到故障f_k的持續時間；TTF_ik為故障f_k初始時刻到系統失效時的時間跨度；和兩個比值描述了解析冗余關系a_i對故障f_k的故障檢測時效性和故障可跟蹤性；D＝[d_jk]_m×p為計算得到故障可測性矩陣；

步驟三 基于故障診斷系統的定量結構模型：

將故障檢測率FDR和故障隔離率FIR作為約束條件，經濟成本作為優化目標，建立考慮檢測不確定性時的傳感器優化模型：

其中，S*為已配置傳感器集合；Obj(S^*)是以S*為變量的目標函數；C₁為加權值；c_j為第j個傳感器的成本；FDR′,FIR′是故障診斷系統必須滿足的指標要求；為最優的傳感器配置集合；

將故障檢測率FDR和故障隔離率FIR作為約束條件，經濟成本作為優化目標，得到約束條件下成本最低的傳感器布局方案，即目標函數Obj(S^*)取最大值時的解

步驟四 根據遺傳算法求解上述傳感器優化模型，得到最優傳感器配置集合，具體過程如下：

（ 1） .參數初始化，隨機產生初始種群；

（ 2） .根據傳感器優化模型，建立適應度函數：

其中，Cost(i)為第i個傳感器配置方案的成本；max(0,FDR′-FDR(i))和max(0,FIR′-FIR(i))為懲罰函數，即當第i個傳感器配置方案的故障檢測率FDR(i)和故障隔離率FIR(i)小于指標要求FDR′和FIR′時，該方案的適應度值會減少；C₁、C₂、C₃為常數；

（ 3） .計算每個染色體所對應的傳感器集合的適應度值；

（ 4） .根據適應度采用輪盤賭方法選擇個體，并進行交叉操作，得到當前種群Pop'；

（ 5） .對當前種群Pop'中的個體進行變異操作，得到下一代種群Pop”，判斷算法是否到達最大迭代次數，是則結束，運算結果即為最優傳感器配置方案，否則返回步驟3。