摘 要

本文以DTS200三容水箱设备为例子，对三容水箱系统做故障诊断方面的研究，首先针对对三容水箱系统分为单输入单输出和双输入双输出两部分系统，其中，单入单出系统又分为一阶、二阶和三阶系统；通过数学建模方法得到系统模型，推导出数学方程。其次，在SIMULINK中对单入单出系统采用PID算法对水箱液位进行仿真控制；对于双入双出系统，先通过状态反馈解耦法对系统解耦，然后再用PID来进行液位控制仿真，并且给出解耦前后的控制效果对比。然后，根据实际情况列举了四种常见的故障情况，对四种故障进行建模，通过仿真得出故障时的曲线，总结故障特点，并且通过加入白噪声模拟实际故障情况；然后针对微小故障和噪声干扰难以区分的情况，利用平均滤波算法，对故障诊断进行研究，实现了在噪声干扰中对故障进行；并在最后总结通过不同数据识别并判断出故障的方式。

关键词：三容水箱；故障诊断；PID控制；噪声干扰

Abstract

This thesis aims at doing research on fault diagnosis of Three-tank system and taking DTS200 Three-tank system as an example. Firstly, the three-tank system is divided into single-input and single-output as well as double-input and double-output system, in which SISO system is divided into first-order, second-order and third-order system; the system model obtained by mathematical modeling, and then mathematical equations derived. Secondly, using a PID algorithm to simulate the water level control in SIMULINK for SISO system; for the double input and double output system, first by state feedback decoupling method of decoupling, and then use the PID for level control simulation, and gives the effect of decoupling control before and after comparison. Then, according to the actual situation of enumerated four common fault conditions, the four fault modeling, simulation curve obtained fault, fault summary characteristics, and by adding white noise to simulate the actual fault conditions; and then for minor faults indistinguishable from noise situation, using the average filtering algorithm for fault diagnosis study achieved a noise in the fault; and concluded by different data to identify and determine the fault of the way.

Key Words: Three-tank system；Fault detection；PID controll；Noise-disturbing

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 三容水箱国内外研究 1

1.2.2 故障诊断技术国内外研究现状 2

1.3 本论文结构与主要内容 3

第2章 三容水箱系统的机理建模 4

2.1 单入单出系统建模 5

2.1.1 一阶系统建模 5

2.1.2 二阶系统建模 5

2.1.3 三阶系统建模 6

2.2 双入双出系统建模 7

第3章 三容水箱系统液位控制 9

3.1 单入单出系统的液位控制 9

3.1.1 PID控制器 9

3.1.2 系统仿真结果 10

3.2 双入双出系统的液位控制 12

3.2.1 双入双出系统解耦 12

3.2.2 系统仿真结果 14

第4章 三容水箱系统故障特点分析 16

4.1建立故障模型与仿真分析 16

4.2 传感器故障特点分析 17

4.3 执行器故障特点分析 19

4.4 水箱漏水故障特点分析 21

4.5 连接阀堵塞故障特点分析 23

4.6 综合故障模型 25

第5章 白噪声干扰下的微小故障诊断 26

5.1 传感器微小故障诊断 26

5.2 执行器微小故障诊断 28

5.3 水箱微量泄漏故障诊断 29

5.4 连接阀微量堵塞故障诊断 31

5.5 故障诊断总结 32

第6章 结论 33

6.1 总结 33

6.2 展望 33

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1 研究目的和意义

过程控制是现代工业生产中的重要领域，在石油化工、水利、电力、轻工、纺织、制药和建材等工业生产领域中广泛应用。过程控制是在生产中以温度、湿度、压强或者液位高度等生产指标作为参数，通过控制系统来实现让对象自动操控生产的过程。实际生产中，生产安全是最重要的，在2015年8月12日发生的天津港爆炸事故中因为对危险品处理不当造成重大安全生产事故，不但造成大量民众伤亡，还导致了数十亿的直接经济损失。大多数情况下工业生产环境复杂极端，一旦人员操作不当或者设备出现故障，很容易出现生产事故。因此，在实际生产中都要求控制系统能够对生产过程实时监控，并对设备故障能够及时诊断，一旦故障发生马上进行处理，避免出现重大错误。

现实中的工业生产里控制对象普遍具有惯性大、非线性、强耦合和延时的特点，而三容水箱系统是很经典的非线性、强耦合系统，在生产中很多被控对象都可转化成三容水箱的数学模型，因此具有很强的代表性。此外，对三容水箱系统进行故障诊断方面的研究对工业生产领域有重要意义，比如锅炉、石油提炼和化工制药等生产过程。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 三容水箱国内外研究

作为过程控制领域里的经典抽象模型，国内外不少高校和研究机构都应用三容水箱系统进行研究。德国Amira公司研发的DTS200是比较出名和常用的一款水箱系统，国内外许多高校都有引进。例如国外的麻省理工、牛津和剑桥大学，国内的清华大学和浙江大学。

国外的研究方面，德国的Gmbh利用解耦法实现了在三水箱系统上基于模型的故障检测分析^[1]；Noura Hassan则对执行器出现故障后的容错性能进行了研究分析^[2]；Maron和Hassan提出了一种新的有关执行器出现故障后的容错控制技术^[3]；文献[4]验证了神经网络在系统建模以及故障发生后对子系统故障的判断识别的优越性；文献[5]针对三容水箱典型的非线性特点，在建模的基础上研究故障检测和隔离方法，并在三水箱实验装置上验证结果；文献[6]通过T-S模糊控制技术对三水箱系统实现了故障诊断；文献[7]设计了一种针对三容水箱参数发生故障时，提高故障诊断鲁棒性的方法，并在设备上仿真验证有效性。 由于三容水箱能够实现很多实际生产中的故障，因此不管是传统的技术方法还是新发展的技术，都能在上面进行研究。