水力发电机组复杂非线性动力学建模与诊断方法

研究工作在基金委的指导和支持下，紧密围绕水力发电机组复杂非线性动力学建模与诊断的关键科学问题，按照项目计划任务书制定的研究目标和研究内容要求，开展了卓有成效的工作，取得了实质性研究进展和丰富的研究成果，在若干研究方向和应用技术上均有重要突破。对照项目计划任务书，实现了项目预期目标，高质量、圆满完成了基金项目的研究任务。研究工作完成学术专著2部（校样中），署名完成高水平学术论文共32篇，其中，发表27篇，录用5篇，SCI刊源11篇，EI刊源25篇；获发明专利3项、全国百篇优博提名奖2人次；开发适合于工程应用的高级实验装置2台、建立应用示范系统2套；完成相关研究内容的博士后出站报告1份，8名博士研究生完成博士学位论文答辩，21名硕士研究生完成硕士学位论文答辩，培养了8名行业内高级专业技术人员。研究成果在国内外学术和工程界产生了重要影响，部分成果在二滩水电站、白山水电站、松江河梯级水电站等国家重大水电工程项目获得成功应用，产生显著的社会和经济效益。 按照项目计划任务的要求，研究成果主要集中在多元故障模式下水力发电机组非线性动态响应及特征描述、水力发电机组多场耦合非线性动力学建模、水力发电机组非平稳故障征兆辨识及特征提取、基于先进智能理论的机组故障诊断方法、水机电非线性耦合系统模型辨识与智能控制五个方面。研究工作通过对水力发电机组复杂耦合系统非线性动力学特性的分析，揭示了多场耦合作用下水机电高效转换系统非平稳过程的演化规律；解释了机组稳态响应及其稳定性随系统参数变化的规律和可能由此引起的混沌现象，认识了水机电耦合故障的产生机理、演化过程和发展模式，实现多元故障模式下水力发电机组安全稳定运行域边界的精确描述；研究了不同故障组合诱发机组动力灾变的可能性，阐明耦合故障作用下机组动力灾变失效破坏机理；提出了一种水机电非线性耦合系统模型反演与参数优化的理论与方法，建立了水力发电机组多场耦合非线性动力学模型，发展了基于先进智能理论的机组故障诊断新方法；设计并开发了水电机组效率试验系统和水轮机调速系统仿真测试仪等高级试验装置，构建了基于多知识集成网络、强映射能力的水力发电机组状态监测、故障诊断与管理决策支持应用示范系统。研究工作解决了水力发电机组复杂非线性动力系统建模与诊断目前面临的若干核心科学和关键技术问题，取得一批原创性研究成果，为提高我国水电机组设计运行水平提供了重要的理论依据。 2100433B

通过对水力发电机组复杂耦合系统非线性动力学特性的分析，更深地理解多场耦合作用下水机电高效转换系统非平稳过程的演化规律，解释机组稳态响应及其稳定性随系统参数变化的演化规律和可能由此引起的分岔与混沌现象，揭示水电机组故障产生机理，探求和认识故障发展和演化规律，实现多元故障模式下水力发电机组安全稳定运行域边界的精确描述，研究不同故障组合诱发机组动力灾变的可能性，阐明耦合故障作用下机组动力灾变失效破坏机理，提出水机电非线性耦合系统模型反演与参数优化的理论与方法，建立水力发电机组多场耦合非线性动力学模型，研究其数学基础，发展基于先进智能理论的机组故障诊断方法的新理论，解决水力发电机组复杂非线性动力系统建模与诊断目前面临的若干核心科学和关键技术问题，提升我国水利机械基础研究原创能力，取得一批具有科学创新和重要学术价值与应用前景的研究成果，为提高我国水电机组的设计和运行水平提供重要的理论依据和技术支撑。

将复杂网络理论应用于电器控制系统故障诊断和预测研究中，从系统整体上对电器控制系统中故障的传播过程和演变机制的动力学行为做出解释，实现诊断和预测目的。首先针对不同的故障特点和诊断预测目标，研究电器控制系统中节点和连接关系的描述和表示方法及系统级拓扑模型的生成过程，并研究常用的复杂网络模型在故障建模中的适用性及改进方法，完成故障拓扑结构的优化过程。其次，在故障传播动力学研究中，采用节点与连接边的混合动态模型和有效的搜素算法，得到一个或多个节点形成的子系统发生故障时的动态模型表示和演变过程，并研究网络系统上相继故障发生时的诊断、预防与控制策略。最后，在故障统一建模的理论研究基础上，借助于数值模拟和系统测试来完成结果的验证和改进，并完善该技术的实际应用方法，为大型复杂行业的电器控制系统故障诊断和预测维护提供理论方法和技术手段。

本项目对柔性物体的参数化建模及复杂约束变形问题的理论和方法进行研究，并针对几类具体的模型进行应用研究。从理论上针对隐式的几何约束和物理的约束条件，进行柔性物体的参数化表示及变形方法的研究，结合图形图像、计算几何、优化、力学等方法，用有限参数描述复杂的柔性几何形体的各种状态；用参数化方法模拟几类典型复杂的变形过程，即利用参数来控制变形的过程和结果，解决相应的大变形问题。以乳腺癌早期诊断中的医学成像过程和内衣设计中的三维变形等问题为例，借助三维测量仪和现代成像技术，进行应用基础研究；构造不同外部条件下的几何变形模型，解决不同类型的医学图像间的三维融合等问题。这项研究对数字人体、医学图像、3D服装、人脸表情、肌肉弹性生物模型等方面的柔性物体的几何变形问题的研究具有重要的意义。利用参数化建模的思想来分析和模拟实验数据或过程的研究方法，对信息科学与实验科学的交叉研究有积极作用。 2100433B

本项目研究了电器控制系统故障建模分析及诊断预测方法，并在故障影响与传播分析中，结合复杂网络的概念开展了相应的研究。首先对电器控制系统中表示节点和连接关系的断路器等元部件的状态和工作性能及故障模式与影响做了研究分析，在已有的研究结果基础上，完成了用于故障编码和故障影响因素分析的电器控制系统建模平台，实现了有向图算法和计算机辅助分析手段。考虑到电器控制系统的特点, 对系统分层拓扑模型概念和节点划分做了定义和设定的划分原则。研究了采用分层拓扑模型的描述方法，将整个系统的建树工作量划分到不同层次上的部分结构建树,并将重复子系统或元件进行故障预存储,最后在整体上形成故障树,实现系统结构知识到故障诊断知识的转化,并据此建立了相应的故障诊断知识库。基于复杂网络概念，研究了有向图的故障节点传播模型，利用故障传播的矩阵分析方法，通过定义的故障直接传播和间接传播，得到了每种故障发生的概论及对其它节点的影响度，将该方法应用于飞机电源供电系统中，做了实例验证。在完成了元件故障信息、相互连接关系和子系统故障传播基础上，将电器控制系统从整体上进行抽象，建立起具有复杂网络特性的综合模型，定义了节点的聚类系数和平均距离，系统中不同节点的度分布描述了该节点受到的故障影响。针对一个航空电源系统，建立了网络节点模型，研究了网络连接中节点的度和聚类系数特性，表明网络具有小的平均路径和大的聚类系数，满足小世界网络特性。在故障传播特性分析中，定义了连接矩阵和激活函数，确定故障的传播阈值，通过仿真得到在同一故障下的不同节点受影响情况，从而对故障发展趋势做出相应的预测分析。在数值仿真和半实物仿真实验研究的基础上，编制了相应的建模算法和分析软件，建立起了测试电器控制系统的实验平台，最终实现了电器控制系统故障诊断建模与预测研究的综合系统。 2100433B