【正文】 18 由以上的介紹可知，若已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù) G(s)，那么令 s＝ jω，立即可得頻率特性為 )j G ?( 。因此，利用伯德圖來分析系統(tǒng)穩(wěn)定性及求取穩(wěn)定裕量 —— 相位裕量和幅值裕量，也比奈氏圖方便。它不但能判斷閉環(huán)系統(tǒng)的絕對穩(wěn)定性 (穩(wěn)態(tài)性能 )，還能分析系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性 (動態(tài)性能 )。開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線 L(? )一 ? 的低頻段表征了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，中頻段表征了系統(tǒng)的動態(tài)性能，高頻段則反映了系統(tǒng)抗干擾的能力。 (3)控制系統(tǒng)一般由若干典型環(huán)節(jié)所組成，熟悉典型環(huán)節(jié)的頻率特性可以方便的獲得 系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性，利用開環(huán)幅相頻率特性可以方便的分析閉環(huán)系統(tǒng)的性能。 (2)頻域分析有兩種圖解方法：極坐標(biāo)圖和對數(shù)坐標(biāo)圖，對數(shù)坐標(biāo)圖不但計(jì)算簡單，繪圖容易，而且能直觀的顯示時(shí)間常數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。 (1)頻域分析法是在頻域內(nèi)應(yīng)用圖解法評價(jià)系統(tǒng)性能的一種工程方法，頻域分析法不必求解系統(tǒng)的微分方程而可以分析系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)時(shí)域性能。頻率特性可以由微分方程或傳遞函數(shù)求得，還可以用實(shí)驗(yàn)方法測定。當(dāng)系統(tǒng)的動態(tài)性能不能滿足生產(chǎn)上要求的性能指標(biāo)時(shí)，很難提出改善系統(tǒng)性能的途 徑。 0 型系統(tǒng) ??????? niimiipszsKsHsG11)()()()( V 型系統(tǒng) szsKsHsGmii???? 1)()()( 頻域分析法 用時(shí)域分析法分析和研究系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)誤差最為直觀和準(zhǔn)確，但是，用解析方法求解高階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)往往十分困難。 （四 ） 穩(wěn)態(tài)性能分析 控制系統(tǒng)誤差與穩(wěn)態(tài)誤差的定義 e(t)=r(t)b(t) 偏差 H(s)=1(單位反饋 )，期望輸出為參考輸入，反饋信號與輸出相同 。 忽略上述兩類極點(diǎn)所引起的暫態(tài)分量后，一般剩下為數(shù)不多的幾個(gè)極點(diǎn)所對應(yīng)的暫態(tài)分量。 （三） 高階系統(tǒng)的暫態(tài)性能近似分析 21 ( ) 1 s in ( ) ( 0 )1 t dc t e t t? ??? ?? ? ? ??drt ?????dpt ??? 15 設(shè)系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)均為單極點(diǎn)（實(shí)際系統(tǒng)大都如此），單位階響 應(yīng)的拉氏變換式為： ?? ? ????? si ips pssDs sMsDMsC i1 1|)( )(1)0( )0()( ? 對于上式求拉氏反變換得到高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)為： ???????????????????diiiiiiiiijpidiiptssitppstAesDs sMDMesDs sMDMtc????? ?? )c o s (|)()()0()0(|)( )()0( )0()(1?? 結(jié)論： 1）若某極點(diǎn)遠(yuǎn)離 虛軸與其它零、極點(diǎn)，則該極點(diǎn)對應(yīng)的響應(yīng)分量較小。 ? 當(dāng) ζ 1 時(shí)，系統(tǒng)為過阻尼狀態(tài)，在 ζ 增加時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)減慢。 ζ 增加，將減少系統(tǒng)的振蕩，減少超調(diào)量；但上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間加大。這種情況稱為無阻尼振蕩，系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。 ? 單位階躍輸入，一階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值為 K，穩(wěn)態(tài)值與 T 無關(guān)。 可以用上升時(shí)間或者調(diào)節(jié)時(shí)間來 作為動態(tài)性能指標(biāo)。 ? 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)是單調(diào)升的。 ? 在校正系統(tǒng)時(shí)，往往把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)典型的系統(tǒng)。 （ 1） （最大）超調(diào)量 （ 2）（最大）超調(diào)時(shí)間 （ 3） 上升時(shí)間 （ 4）調(diào)節(jié)時(shí)間 一階系統(tǒng)的暫態(tài)性能分析 為什么要研究典型系統(tǒng)的性能分 析？ 13 ? 現(xiàn)實(shí)中存在大量的系統(tǒng)，他們本身就屬于典型的一階或二階系統(tǒng)。然后用這個(gè)新多項(xiàng)式的系數(shù)代替全為 0 一行的數(shù)，繼續(xù)列勞斯表。 解決辦法：用一個(gè)很小的正數(shù)（也可以是負(fù)數(shù)）然后繼續(xù)列勞斯表。而且，系統(tǒng)正實(shí)部特征根的個(gè)數(shù)等于勞斯表第一列數(shù)的符號變化次數(shù)。 系統(tǒng)穩(wěn)定性必要條件 ： 系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件是系統(tǒng)特征方程的系數(shù)同號，而且都不為零 。因此，后面將陸續(xù)介紹各種穩(wěn)定性判據(jù)。 系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)為 系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。 對于非線性系統(tǒng)，可能有一個(gè)平衡狀態(tài)，也可能有多個(gè)平衡狀態(tài)。 （一） 穩(wěn)定性的概念 系統(tǒng)的平衡狀態(tài) 系統(tǒng)沒有輸入作用時(shí)，處于自由運(yùn)動狀態(tài)。 穩(wěn)定性分析系統(tǒng)穩(wěn)定是保證系統(tǒng)能正常工作的首要條件。 11 第三章 簡介幾種信號處理方法 時(shí)域分析法 時(shí)域分析 指控制系統(tǒng)在一定的輸入下，根據(jù)輸出量的時(shí)域表達(dá)式，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。 如果是動不平衡，則在極短的時(shí)間內(nèi)會引發(fā)二次損傷擴(kuò)大故障，只要不發(fā)生二次損傷和持續(xù)上升，盡管有時(shí)振動值較大， 但總體振動趨勢較為平穩(wěn)，只要遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，一般不會有新的發(fā)展。 （ 5） 故障趨勢的預(yù)測 判斷故障的發(fā)展趨勢，除了對確定是否需要停車有決定性作用外，還對如何維持運(yùn)行有著具體的指導(dǎo)作用。 （ 4） 故障部位的診斷 判斷故障所發(fā)生的具 體部位，對停車后的搶修工作有著很重要的指導(dǎo)作用， 10 判斷具體、準(zhǔn)確時(shí)，可以大大縮短搶修時(shí)間，降低檢修費(fèi)用，為工廠創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益。 判斷時(shí)應(yīng)根據(jù)故障前后有關(guān)的運(yùn)行及監(jiān)測參數(shù)的數(shù)值進(jìn)行慎重的比較，然后參照有關(guān) 規(guī)范 、規(guī)定及設(shè)備的歷史狀況加以綜合判斷。實(shí)在吃不準(zhǔn)時(shí)也可以多列幾條，但應(yīng)附加說明其中的主次關(guān)系和可能發(fā)生的概率。最后，對剩下的疑點(diǎn)信息采用排除法，逐一去偽存真，特別要注意排除因發(fā)生故障所連帶產(chǎn)生的異?，F(xiàn)象，從而找出導(dǎo)致故障發(fā)生的真正原因。 開始查找時(shí)范圍要大，凡是可能引起故障的信息都要收集，例如工藝系統(tǒng)、運(yùn)行、檢修方面的各種信息，甚至設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)、型號等。 由于儀表失靈在大機(jī)組所發(fā)生的各類故障診斷中所占的概率較大，以及因工藝系統(tǒng)波動或操作不當(dāng)（特別是在開車或工藝負(fù)荷調(diào)整的過程中）而產(chǎn)生的故障也常有發(fā)生，因此切忌僅限于一、兩個(gè)因素就輕易判斷發(fā)生了機(jī)械設(shè)備故障，而應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)、儀表、運(yùn)行、現(xiàn)場等多方面情況進(jìn)行綜合的判 斷。正確的診斷及處理， 應(yīng) 按照合理的步驟進(jìn)行綜合分析 。即在低頻部分具有較高的頻率分辨力和較低的時(shí)間分辨力，在高頻部分具有較低的頻率分辨力和較高的時(shí)間分辨力。 小波分析，即小波變換，是指在信號的不同頻率段具有不同的分辨力分析方法。 （ 5） 小波分析 診斷 小波分析 診斷 是近幾年得到迅速發(fā)展并形成研究熱點(diǎn)的信號分析新技術(shù)，被認(rèn)為是對傅立葉分析方法的突破進(jìn)展。 （ 4） 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 診斷 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其大規(guī)模并行處理能力、自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力、分布式信息存儲、魯棒性、容錯(cuò)性和推廣能力等特點(diǎn)在故障檢測和 診斷 領(lǐng)域受到廣泛重視。一般包括知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、人 機(jī)接口及知識庫管 9 理系統(tǒng)、解釋系統(tǒng)等。目前，國內(nèi)外主要應(yīng)用和開發(fā)的 智能 診斷 技術(shù) 有下列九種，并分別對其進(jìn)行簡單的介紹。 振動診斷技術(shù)有很多方法可以采用，例如：振動特征分析，振動譜分析，振動倒譜分析，振動包絡(luò)分析，振動全息譜分析，振動三位譜圖分析，振動超工頻或亞工頻諧波分析，振動時(shí)域分析，振動模態(tài)分析等。振動的參數(shù)指標(biāo) 有 很多， 如 時(shí)域波譜圖、頻域波譜圖、軸心軌跡圖、脈沖指標(biāo)、峭度指標(biāo)等對設(shè)備的故障分析很有效果 [2]。 下面介紹幾種典型的診斷技術(shù)與方法： （ 1） 振動診斷技術(shù) 振動診斷技術(shù)就是對設(shè)備的振動信號進(jìn)行檢測、分析處理，故障識別和預(yù)報(bào)的一種技術(shù)。由于存在松動，極小的不平衡或者不對中都會導(dǎo)致支承系統(tǒng)產(chǎn)生很大的振動。 （ 7） 轉(zhuǎn)子支承部件松動的故障機(jī)理 轉(zhuǎn)子支承部件連接松動是指系統(tǒng)結(jié)合面存在間隙或連接剛度不足，造成機(jī)械阻尼偏低、機(jī)組運(yùn)行振動過大的一種故障。 （ 6） 轉(zhuǎn)子熱套配合過盈不足的故障機(jī)理 高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的葉輪、軸套等旋轉(zhuǎn)體通常是采用熱壓配合的方式安裝在轉(zhuǎn)軸上，其配合面要求為過盈配合。的全周向接觸摩擦。 （ 5） 動靜件摩擦的故障機(jī)理與診斷 轉(zhuǎn)子與靜止件發(fā)生摩擦有兩種情況：一種是轉(zhuǎn)子在渦動過程中軸頸或轉(zhuǎn)子外緣與靜止件接觸而引起的徑向摩擦；另一種是轉(zhuǎn)子在軸向與靜止件接觸而引起的軸向摩擦。 油膜振蕩的防治措施： 提高軸的臨界轉(zhuǎn)速，使軸的轉(zhuǎn)速不超過 2 倍臨界轉(zhuǎn)速， 設(shè)計(jì)上盡量避開油膜共振區(qū)，增加軸承比壓，減小軸承間隙，調(diào)整油溫。 油膜振蕩和油膜渦動產(chǎn)生的故障原因：軸承參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，軸承制造不符合技術(shù)要求，軸承間隙不符合要求，軸瓦參數(shù)不當(dāng)，軸承殼體配合過盈不足，軸溫或油壓不當(dāng)，潤滑不良，軸承磨損，疲勞損壞、腐蝕、氣蝕等。若繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)子的渦動頻率保持不變，始終等于轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速，即 Ω＝ wc1，這種現(xiàn)象稱為油膜振蕩。如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速升高到第一臨界轉(zhuǎn)速的 2 倍以上時(shí)，半速渦動頻 率有可能達(dá)到第一臨界轉(zhuǎn)速，此時(shí)會發(fā)生共振，造成振幅突然驟增，振動非常劇烈。 目前，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷的研究主要集中在三個(gè)方面：①從理論上分析各類故障，尤其是非線性故障的特性并確定故障特征量；②利用先進(jìn)的信號采集和處理技術(shù)提取故障特征；③研制故障診斷軟、硬件系統(tǒng)和建立專家?guī)?，并?yīng)用于實(shí)際轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。臨時(shí)性彎曲是指可恢復(fù)的彎曲。永久性彎曲是指轉(zhuǎn)子軸呈弓形彎曲后無法恢復(fù)。 （ 3） 轉(zhuǎn)子彎曲的故障 轉(zhuǎn)子彎曲是指各橫截面的幾何中心連線與旋轉(zhuǎn)軸線不重合。由于不對中，將導(dǎo)致軸向、徑向交變力，引起軸向振動和徑向振動。通常所講的不對中多指軸系不對中。在轉(zhuǎn)子不平衡情況下，由于軸承不對中對不平衡力的反作用，會出現(xiàn)工頻振動。軸頸在軸承中偏斜稱為軸承不對中。 目前 ，南京航空航天大學(xué)提出了一種基于模型的雙轉(zhuǎn)子不平衡故障的識別方法，該方法可以同時(shí)識別內(nèi)外轉(zhuǎn)子不平衡故障的大小和相位，具有較高的識別精度 。 離散形式的傅立葉變換可以利用數(shù)字計(jì)算機(jī)快速的 算出 (其算法稱為快速傅立葉變換算法 (FFT)). 7 第二章 汽輪發(fā)電機(jī)組常見的故障診斷技術(shù) 汽輪機(jī)組常見的故障類型及產(chǎn)生的原因 （ 1） 轉(zhuǎn)子不平衡的故障 轉(zhuǎn)子不平衡是由于轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量偏心或轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)缺損造成的故障，它 是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見的故障。 正弦基函數(shù)是微分運(yùn)算的本征函數(shù) ,從而使得線性微分方程的求解可以轉(zhuǎn)化為常系數(shù)的代數(shù)方程的求解 .在線性時(shí)不變的物理系統(tǒng)內(nèi) ,頻率是個(gè)不變的性質(zhì) ,從而系統(tǒng)對于復(fù)雜激勵的響應(yīng)可以通過組合其對不同頻率正弦信號的響應(yīng)來獲取 。 為了克服 STFT 中的固定的時(shí)頻分辨率的問題， 本論文的主要工作 快速傅立葉變換（ FFT）在故障診 斷信號處理的應(yīng)用上具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 傅立葉變換是線性算子 ,若賦予適當(dāng)?shù)姆稊?shù) ,它還是酉算子 。頻率信息提取的精確性受限于窗口的長度。此時(shí)，短時(shí)傅里葉變換（ STFT）可以被用來檢測瞬時(shí)突變。還有診斷思想上，國外的許多專家及公司已經(jīng)不僅僅停留在典型故障診斷與分析上，其龐大的專家經(jīng)驗(yàn)已使故障診斷設(shè) 計(jì)更廣闊的領(lǐng)域。K，德國的申克及日本的武田理研等，生產(chǎn)并維護(hù)著多種用于設(shè)備故障診斷的儀器及軟件系統(tǒng)。在商業(yè)領(lǐng)域上，美國的幾大專業(yè)性極強(qiáng)的公司，如 Bently、IRD、 BEI，長期從事對汽輪機(jī)組的運(yùn)行和監(jiān)控的研究，對機(jī)組可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)管理技術(shù)方面有了深入的認(rèn)識，已經(jīng)建立了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫 管理系統(tǒng)，專家系統(tǒng)的研究已然十分深入，再加上雄厚的軟件實(shí)力和龐大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其在故障診斷領(lǐng)域的地位是很堅(jiān)固的。 國外的故障診斷技術(shù)的研究及應(yīng)用比我國要早將近半個(gè)世紀(jì)。西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等一些高校及西安熱工研究院等一些研究單位在大型汽輪發(fā)電機(jī)組故障機(jī)理及其診斷技術(shù)研究方面總體處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。旋轉(zhuǎn)機(jī)械作為我國工業(yè)的原動機(jī)，使旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷成為了此技術(shù)應(yīng)用到我國工業(yè)領(lǐng)域。無論是從重要性還是具有的經(jīng)濟(jì)效益來衡量，都將對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生重要的意義。故障診斷的一般內(nèi)容是：確定設(shè)備故障的性質(zhì)、程度、類別和部位，明確故障、征兆、原因和系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，指明故障發(fā)展趨勢。 設(shè)備的故障診斷是 指在設(shè)備不解體的情況下，根據(jù)人類積累的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，采用一定的技術(shù)手段對設(shè)備所處的狀態(tài)進(jìn)行判斷、對設(shè)備的故障及其發(fā)展及其發(fā)展變化進(jìn)行診斷和估計(jì)的技術(shù)。而且由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的復(fù)雜性和多樣性，如果發(fā)生故障，影響范圍一般都比較大，同時(shí)這些引起故障的原因卻非常復(fù)雜且不明顯，要準(zhǔn)確的判斷出汽輪發(fā)電機(jī)組故障類型及故障發(fā)生的部位相當(dāng)困難，檢修時(shí)間和難度都會大大提高。 5 隨著