基于主元分析的液氢生产过程故障检测技术

摘要

从美国、欧洲、俄罗斯、日本的航天技术发展过程来看，液氢作为一种高效、无污染的推进剂，是提高运载火箭性能的最理想的燃料，运载火箭技术发展到一定水平时，必然采用液氢液氧作为推进剂。同时，航天技术的发展又会带动液氢应用的推广，液氢作为一种理想的能源，将会逐步扩大到诸如航空、汽车等多个领域，并发挥越来越大的作用。
　　 液氢的生产过程非常复杂，如果出现故障，不仅严重影响我国航天型号研制周期和发射任务，还可能造成重大的安全事故。然而我国液氢生产起步晚、经验少，尤其在故障检测方面的研究还未见报导。因此开展液氢生产过程故障检测技术的研究意义重大。
　　 本文首先介绍了国内外故障检测与诊断技术的发展和现状，并针对液氢生产的特点，提出适合于采用基于主元分析的方法进行故障检测技术的研究。接着针对一套实际的液氢生产系统，对其工艺过程进行了详细阐述，并抽象出物理模型作为研究对象。最后根据物理模型和经验，研究了液氢生产系统的故障模式，确定了用于研究的测量变量，为后续数学方法研究故障检测技术奠定了物理学的基础。
　　 在上述基础上，对主元分析方法进行了详细介绍，并对主元模型在液氢生产过程故障检测中的应用进行了深入的分析和验证。结果显示利用平方预测误差(SPE)统计量可以有效检测液氢生产过程中的主要故障，但对一些对过程影响较小的故障无法检出。为此，提出了一种基于D-检验指标的优化PCA故障检测方法，并对其在液氢生产过程故障检测中的应用进行了研究。通过仿真验证表明，基于优化PCA的故障检测技术不仅可以有效减少对过程的误报现象，还可以提高故障检测的灵敏性，对一些对过程影响较小的故障，传统PCA无法检测出，但优化PCA方法则能够有效地检测出来。
　　 通过研究、分析和验证表明，本文研究的主元分析方法可以全面用于液氢生产过程的故障检测，并可利用该算法编制应用软件，开发液氢生产过程的实时故障检测系统。