CN104913904A - 一种望远镜故障预警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种望远镜故障预警方法及系统，由数据接口系统、力学仿真系统、数据处理系统等组成。通过对这些系统的有效组合实现上述算法与硬件设备的集成，形成辅助控制系统模块及故障预警系统模块，为主动反射面系统提供准实时的控制信息和故障预警信息。本发明将望远镜故障预警系统和方法引入准实时辅助控制系统中，以针对即时工况实时评估各种促动器故障组合工况对面型精度及结构安全的影响。在此基础上制定相应的评价准则，为望远镜反射面的运行和维护提供决策性建议。

Description

一种望远镜故障预警方法及系统

技术领域

本发明涉及一种望远镜故障预警方法及系统。

背景技术

中国科学院国家天文台建造的500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST)，是世界最大的单口径射电望远镜，其突破了地面望远镜的百米工程极限，开创了建造巨型射电望远镜的新模式。FAST的总体技术指标：口径为500m，反射面曲率半径为300m；照明区口径为300m，焦比f/D =0.467。

FAST主动反射面是由圈梁、反射面、索网、促动器、地锚等组成。索网安装在圈梁上，有2225个节点，在索网节点上安装有约4450个反射面单元形成反射面，每个节点下方连有下拉索和促动器，促动器再与地锚连接。通过控制促动器，实现300米口径瞬时抛物面进行天文观测。

反射面单元分为三角形和四边形两大类，其中三角形反射面单元为空间网架结构，边长约为10.4～12.4米，是由背架、调整装置、面板及连接关节等组成，每个三角形反射面单元重量约为500公斤。反射面单元背架在顶点上均装有连接关节，通过这些连接关节将其悬挂在索网节点上形成望远镜反射表面。

由于索网的耦合作用，导致促动器故障对反射面控制的影响机理十分复杂。促动器可能发生的故障组合工况难于预先统计，所以无法通过事先标定建立数据库的方法实现开环控制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种望远镜故障预警方法，该方法对即时工况实时评估各种促动器故障组合工况，以及其对面型精度及结构安全的影响，为望远镜反射面的运行和维护提供决策性建议。本发明的另一目的是提供一种实施上述方法的望远镜故障预警系统。

为实现上述目的，本发明一种望远镜故障预警方法，具体为：

1）利用望远镜总控系统监测构件温度、促动器故障模式、故障促动器位置、望远镜拟执行任务波段、望远镜拟执行观测轨迹；

2）将监测的构件温度数据转化为有限元模型的温度场边界条件；

3）将监测的促动器故障模式、故障促动器位置转化为促动器故障模拟工况；

4）将监测的望远镜拟执行任务波段、望远镜拟执行观测轨迹转化为观测任务模拟工况；

5）将温度场边界条件、促动器故障模拟工况和观测任务模拟工况输入至有限元模型中，来针对望远镜拟执行的观测任务进行全过程模拟，得到关键部件的应力时程数据；

6）将关键部件的应力时程数据转化为构件疲劳预警信息、构件强度预警信息；

7）构件疲劳预警信息和构件强度预警信息形成促动器故障预警信息，该促动器故障预警信息将反馈至望远镜总控系统，来对望远镜的故障进行预警。

进一步，所述步骤1）中的构件温度通过布置在索网及圈梁结构上的若干个光纤传感器来直接测量构件的温度。

进一步，所述步骤2）中的有限元模型为利用有限元软件ANSYS，建立FAST反射面支撑结构的整体模型，索网采用LINK10单元模拟，圈梁则采用BEAM44单元。

进一步，所述步骤5）中的限元模型结合简化仿真分析方法和促动器故障模拟方法来进行全过程模拟。 

进一步，所述简化仿真分析方法，具体为：将望远镜跟踪或扫描的连续观测过程简化为一系列离散的抛物面状态,相邻抛物面的中心线夹角为0.25度，以保证对连续观测过程的准确描述。

进一步，所述促动器故障模拟方法，具体为：所述促动器发生故障的响应模式分为三类：小负载随动、大负载随动及无源保位;其中，无源保位故障模式的模拟通过施加位移约束实现；小负载随动和大负载随动通过载荷约束和位移约束的结合实现；并且每发生一次促动器故障，立即更新模型里的促动器故障边界条件，重新触发计算。

一种实施上述方法的望远镜故障预警系统，包括数据接口系统、数据处理系统和力学仿真系统，其中，数据接口系统满足望远镜总控系统的接口协议，实现与望远镜总控系统的数据交互功能；数据处理系统包括数据前处理系统和数据后处理系统，数据前处理系统主要是处理望远镜总控系统的输入数据，形成输入到力学仿真系统中的力学边界条件，数据后处理系统是实现对力学仿真系统的计算结果进行实时处理，得到促动器的行程-时间控制目标曲线及反射面的故障预警信息；力学仿真系统是实现反馈控制和故障预警的仿真计算平台。

进一步，所述数据接口系统包括均与所述望远镜总控系统连接的温度测量数据读取模块、促动器故障模式数据读取模块、故障促动器位置数据读取模块、拟执行任务波段数据读取模块、拟执行观测轨迹数据读取模块、促动器故障预警信息输出模块。

进一步，所述数据前处理系统将所述温度测量数据读取模块读取的构件温度数据转化为有限元模型的温度场边界条件；将所述促动器故障模式数据读取模块读取的促动器故障模式数据、将所述促动器故障模式数据读取模块读取的故障促动器位置数据转化为促动器故障模拟工况；将所述拟执行任务波段数据读取模块读取的望远镜拟执行任务波段、将所述促动器故障预警信息输出模块读取的望远镜拟执行观测轨迹转化为观测任务模拟工况。

进一步，所述力学仿真系统包括有限元模型、简化仿真分析系统和促动器故障模拟系统,需要将温度场数据、促动器故障工况、观测任务模拟工况等边界条件加载到有限元模型中，结合促动器故障模拟系统及简化仿真分析系统，针对望远镜的观测轨迹进行大规模仿真分析，得到望远镜支撑结构主要承力构件的应力时程数据及望远镜的面型精度水平。

进一步，所述数据后处理系统将所述力学仿真系统获得的关键部件的应力时程数据转化为构件疲劳预警信息及构件强度预警信息；同时，结合望远镜的观测任务波段，评价望远镜的控制精度是否满足要求，不满足要求时发出精度预警信息，并发出启动促动器维修指令。

进一步，所述构件疲劳预警信息首先是利用雨流计数方法对构件应力时程曲线进行处理，然后再基于线性损伤累积准则进行疲劳评估，计算构件的疲劳损伤因子，当损伤因子达到0.1时，发出疲劳预警信息。

本发明将望远镜故障预警系统和方法引入准实时辅助控制系统中，以针对即时工况实时评估各种促动器故障组合工况对面型精度及结构安全的影响。在此基础上制定相应的评价准则，为望远镜反射面的运行和维护提供决策性建议。

附图说明

图1为简化分析前的连续变位观测过程示意图；

图2为简化分析后的连续变位观测过程示意图；

图3为圈梁上光纤传感器布置图；

图4为索网上光纤传感器布置图；

图5为本发明结构框架图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

本发明一种望远镜故障预警方法及系统为望远镜反射面提供准实时辅助控制，辅助望远镜反射面实现准实时的控制精度补偿和故障预警功能。该系统是总控系统的辅助系统，需要与总控系统实时交互数据，一方面从总控系统获取所需的测量数据，另一方面向总控系统输出控制指令及安全预警信息。

系统的准实时功能要求整个系统具备非常高的计算效率，需要快速进行力学仿真计算，及时反馈控制信息和预警信息。除了在硬件方面尽量采用先进设备外，计算方法方面也要慎重考虑。如果采用时程分析方法模拟反射面的主动变位过程，其计算是相当耗时且没必要的。故需要根据反射面的工作特点，建立相应的简化分析方法。在不影响计算精度的情况下，尽量提高系统计算效率，使力学仿真技术可以在反射面的准实时反馈控制方面得以应用。

基于力学仿真技术发展准实时的辅助控制系统，首先要系统地调研分析望远镜反射面控制精度的影响因素，并且定量分析这些因素对控制精度的影响程度。对于一些可忽略的影响因素进行排除，以提高系统的工作效率。对于不能忽略的影响因素，则需要在力学仿真系统中建立相应的补偿计算方法。最后需要结合典型工况的对比实验，验证该系统补偿计算方法的有效性。

由于索网的耦合作用，导致促动器故障对反射面控制的影响机理十分复杂。促动器可能发生的故障组合工况难于预先统计，所以无法通过事先标定建立数据库的方法实现开环控制。本发明将发展促动器故障工况模拟方法，并将其引入准实时辅助控制系统中，以针对即时工况实时评估各种促动器故障组合工况对面型精度及结构安全的影响。在此基础上制定相应的评价准则，为望远镜反射面的运行和维护提供决策性建议。

通用的软件平台是本发明的关键技术，初步考虑由数据接口系统、力学仿真系统、数据处理系统等组成。通过对这些系统的有效组合实现上述算法与硬件设备的集成，形成辅助控制系统模块及故障预警系统模块，为主动反射面系统提供准实时的控制信息和故障预警信息。最后，分析准实时特性对系统计算效率的要求，合理选择商业有限元软件或是自行编制有限元程序。以及合理设计计算机系统，保证系统的计算数据可及时反馈。

本发明一种望远镜故障预警方法，具体为：

1）利用望远镜总控系统监测构件温度、促动器故障模式、故障促动器位置、望远镜拟执行任务波段、望远镜拟执行观测轨迹；

2）将监测的构件温度数据转化为有限元模型的温度场边界条件；

3）将监测的促动器故障模式、故障促动器位置转化为促动器故障模拟工况；

4）将监测的望远镜拟执行任务波段、望远镜拟执行观测轨迹转化为观测任务模拟工况；

5）将温度场边界条件、促动器故障模拟工况和观测任务模拟工况输入至有限元模型中，来针对望远镜拟执行的观测任务进行全过程模拟，得到关键部件的应力时程数据；

6）将关键部件的应力时程数据转化为构件疲劳预警信息、构件强度预警信息；

7）构件疲劳预警信息和构件强度预警信息形成促动器故障预警信息，该促动器故障预警信息将反馈至望远镜总控系统，来对望远镜的故障进行预警。

如图3、图4所示，步骤1)中的构件温度通过布置在索网及圈梁结构上的若干个光纤传感器来直接测量构件的温度。索网及圈梁结构共布置500余个光纤传感器，可以直接测量构件温度，精度可达到0.1度。其次，大部分影响索网位形精度的关键构件位于面板下方，受日照因素影响较小。可以推测构件温度与环境温度的关系更加密切，致使构件温度与其所处位置更具相关性，也就更容易捕捉到规律性。本发明在在望远镜的调试阶段，常年在多种天气条件下进行标定工作。对于没有布设传感器的构件，可利用PT1000接触式传感器测量构件温度，其温度精度可达到0.1度。通过比对分析，探索构件温度与500余个传感测量数据之间的关系规律，比如插值法是否适用等。

步骤2）中的有限元模型为利用有限元软件ANSYS，建立FAST反射面支撑结构的整体模型，索网采用LINK10单元模拟，圈梁则采用BEAM44单元。步骤5）中的限元模型结合简化仿真分析方法和促动器故障模拟方法来进行全过程模拟。

简化仿真分析方法，具体为：将望远镜跟踪或扫描的连续观测过程简化为一系列离散的抛物面状态,如图1、图2所示，相邻抛物面的中心线夹角为0.25度，以保证对连续观测过程的准确描述。

当望远镜进行换源、跟踪或扫描等观测任务时，索网变位工作是近似的准静态过程。因此，可将望远镜跟踪或扫描的连续观测过程简化为一系列离散的抛物面状态，如图1、图2所示。

由于连续变位观测过程被简化为一系列抛物面状态的迭加，仿真结果所输出的控制数据也不可能是促动器行程-时间的连续曲线，而是一系列的离散点。故需要选择合适的函数形式对离散点拟合，给出可以用于反射面控制的促动器行程-时间控制目标曲线。

可以预见，离散点取得越密集即dθ越小（参见图5），促动器控制目标曲线拟合精度越高。但如果取得过于密集，过大的计算量会使简化分析方法失去其原有意义。故本课题将针对几种典型的观测工况，分别选取dθ为5°、2°、1°、0.5°等值进行模拟分析。分析dθ取值逐渐减少时，促动器拟合误差的收敛情况，在此基础上确定合理的dθ取值。

促动器故障模拟方法，具体为：促动器发生故障的响应模式分为三类：小负载随动、大负载随动及无源保位。

根据三种故障模式，发展不同故障状态的模拟方法。其中，无源保位故障模式的模拟比较容易实现，通过施加位移约束即可。小负载随动和大负载随动相对复杂一些，因为促动器自适应于索网运动是单向的，即活塞杆只能被拔出、不能回缩，需要载荷约束和位移约束的结合使用方可实现。促动器故障具有很强的随机性，很难预先判断促动器故障组合工况对索网精度及安全性的影响。所以需要每发生一次促动器故障，立即更新模型里的促动器故障边界条件，重新触发计算。

发展相应的数据处理方法，对构件应力及反射面位形数据进行处理，从望远镜的结构安全和控制精度两方面制定合理的故障评估准则，在一定安全储备的情况下尽可能降低漏报率和虚报率。FAST索网在变位过程中将承受500MPa的疲劳荷载，如果再考虑促动器故障因素，其疲劳问题将更加突出。所以故障评估数据处理方法可以将申请人前期研究成果—索网疲劳评估系统—直接融入进来，实现望远镜索网疲劳损伤的实时评估功能。

如图5所示，一种望远镜故障预警系统，包括数据接口系统、数据处理系统和力学仿真系统，其中，数据接口系统满足望远镜总控系统的接口协议，实现与望远镜总控系统的数据交互功能；数据处理系统包括数据前处理系统和数据后处理系统，数据前处理系统主要是处理望远镜总控系统的输入数据，形成输入到力学仿真系统中的力学边界条件，数据后处理系统是实现对力学仿真系统的计算结果进行实时处理，得到促动器的行程-时间控制目标曲线及反射面的故障预警信息；力学仿真系统是实现反馈控制和故障预警的仿真计算平台。

数据接口系统包括均与所述望远镜总控系统连接的温度测量数据读取模块、促动器故障模式数据读取模块、故障促动器位置数据读取模块、拟执行任务波段数据读取模块、拟执行观测轨迹数据读取模块、促动器故障预警信息输出模块。

数据接口系统应满足望远镜总控系统的接口协议，能实现与望远镜总控系统数据交互功能。一方面，能通过该数据接口系统从总控系统中读取必要参数，例如天文观测轨迹、促动器故障及温度场等信息；另一方面，能向总控系统传输计算结果数据，例如促动器控制目标曲线及故障预警信息。

数据处理系统主要分为两部分，即数据前处理系统和数据后处理系统。数据前处理系统主要是处理总控系统的输入数据，形成可输入到力学仿真系统中的力学边界条件。例如，将输入的天文观测轨迹按一定原则离散化处理，形成可供力学仿真系统使用的输入工况，或将输入温度数据进行处理，形成可输入到力学仿真系统的温度载荷；数据后处理系统是对相关算法编程，可以实现对力学仿真系统的计算结果进行实时处理，得到促动器的行程-时间控制目标曲线及反射面的故障预警信息。

数据前处理系统将温度测量数据读取模块读取的构件温度数据转化为有限元模型的温度场边界条件；将促动器故障模式数据读取模块读取的促动器故障模式数据、将促动器故障模式数据读取模块读取的故障促动器位置数据转化为促动器故障模拟工况；将拟执行任务波段数据读取模块读取的望远镜拟执行任务波段、将促动器故障预警信息输出模块读取的望远镜拟执行观测轨迹转化为观测任务模拟工况。

数据后处理系统将所述力学仿真系统获得的关键部件的应力时程数据转化为构件疲劳预警信息及构件强度预警信息；同时，结合望远镜的观测任务波段，评价望远镜的控制精度是否满足要求，不满足要求时发出精度预警信息，并发出启动促动器维修指令。

构件疲劳预警信息首先是利用雨流计数方法对构件应力时程曲线进行处理，然后再基于线性损伤累积准则进行疲劳评估，计算构件的疲劳损伤因子，当损伤因子达到0.1时，发出疲劳预警信息。

力学仿真系统包括有限元模型、简化仿真分析系统和促动器故障模拟系统,需要将温度场数据、促动器故障工况、观测任务模拟工况等边界条件加载到有限元模型中，结合促动器故障模拟系统及简化仿真分析系统，针对望远镜的观测轨迹进行大规模仿真分析，得到望远镜支撑结构主要承力构件的应力时程数据及望远镜的面型精度水平。

力学仿真系统是实现反馈控制系统和故障预警系统的仿真计算平台，也是本发明的核心工作。首先将尝试基于ANSYS商业有限元软件，利用APDL参数化编程软件编程，必要时考虑自行编制有限元程序，实现温度补偿、促动器故障模拟及力学模型修正等算法；最后根据望远镜的指标及安全要素，分析望远镜准实时控制对力学仿真系统计算效率的需求。在此基础上，合理设计计算机系统，必要时采用并行计算机系统。

本发明解决了以下关键问题：

(1)  发展力学模型修正方法，以使力学模型尽可能反映实际情况。

索网与圈梁结构在制造及安装过程中势必存在一定误差。本发明结合现场各种可测参数检验力学模型的准确性，并对其进行适当修正，形成尽可能接近实际情况的力学模型。该项工作涉及大量的现场测量工作，需要对各类传感器的大量测量数据融合、甄别。在边界条件不够充足的前提下，发展力学模型的近似修正方法，对反射面控制的关键参数进行识别、修正，以保证力学仿真技术的应用效果。

 (2)  发展高效的模拟计算方法，以实现系统的准实时反馈功能。

为实现望远镜的准实时反馈控制功能，需要虚拟辅助控制系统能快速地反馈数据处理结果。如果采用时程分析方法对索网变位过程进行模拟，模拟所需要的时间可能要比实际变位观测的时间还要长。所以必须简化索网变位过程的分析方法，大幅提高系统计算效率。在此基础上，选择合适的商业有限元软件和计算机系统，必要时自行编制有限元程序或采用并行计算设备。

 (3)  分析控制精度的诸多影响因素，发展基于力学仿真技术的补偿算法。

如前所述，影响该望远镜反射面控制精度的因素相互耦合，需要对各个影响因素独立分析处理，定量分析每个因素对反射面控制精度的影响程度。对于不重要的影响因素需进行排除，提高系统的计算效率。对于重要的影响因素，则要分门别类地建立补偿算法，并将这些算法在基于力学仿真技术的辅助控制系统中给予实现。

Claims (10)

1.一种望远镜故障预警方法，其特征在于，该方法具体为：

1) 利用望远镜总控系统监测构件温度、促动器故障模式、故障促动器位置、望远镜拟执行任务波段、望远镜拟执行观测轨迹；

2) 将监测的构件温度数据转化为有限元模型的温度场边界条件；

3) 将监测的促动器故障模式、故障促动器位置转化为促动器故障模拟工况；

4) 将监测的望远镜拟执行任务波段、望远镜拟执行观测轨迹转化为观测任务模拟工况；

5) 将温度场边界条件、促动器故障模拟工况和观测任务模拟工况输入至有限元模型中，来针对望远镜拟执行的观测任务进行全过程模拟，得到关键部件的应力时程数据；

6) 将关键部件的应力时程数据转化为构件疲劳预警信息、构件强度预警信息；

7) 构件疲劳预警信息和构件强度预警信息形成促动器故障预警信息，该促动器故障预警信息将反馈至望远镜总控系统，来对望远镜的故障进行预警。

2.如权利要求1所述的望远镜故障预警方法，其特征在于，所述步骤1）中的构件温度通过布置在索网及圈梁结构上的若干个光纤传感器来直接测量构件的温度；所述步骤2）中的有限元模型为利用有限元软件ANSYS，建立FAST反射面支撑结构的整体模型，索网采用LINK10单元模拟，圈梁则采用BEAM44单元；所述步骤5）中的限元模型结合简化仿真分析方法和促动器故障模拟方法来进行全过程模拟。

3.如权利要求2所述的望远镜故障预警方法，其特征在于，所述简化仿真分析方法，具体为：将望远镜跟踪或扫描的连续观测过程简化为一系列离散的抛物面状态,相邻抛物面的中心线夹角为0.25度，以保证对连续观测过程的准确描述。

4.如权利要求2所述的望远镜故障预警方法，其特征在于，所述促动器故障模拟方法，具体为：所述促动器发生故障的响应模式分为三类：小负载随动、大负载随动及无源保位;其中，无源保位故障模式的模拟通过施加位移约束实现；小负载随动和大负载随动通过载荷约束和位移约束的结合实现；并且每发生一次促动器故障，立即更新模型里的促动器故障边界条件，重新触发计算。

5.一种望远镜故障预警系统，其特征在于，包括数据接口系统、数据处理系统和力学仿真系统，其中，数据接口系统满足望远镜总控系统的接口协议，实现与望远镜总控系统的数据交互功能；数据处理系统包括数据前处理系统和数据后处理系统，数据前处理系统主要是处理望远镜总控系统的输入数据，形成输入到力学仿真系统中的力学边界条件，数据后处理系统是实现对力学仿真系统的计算结果进行实时处理，得到促动器的行程-时间控制目标曲线及反射面的故障预警信息；力学仿真系统是实现反馈控制和故障预警的仿真计算平台。

6.如权利要求5所述的望远镜故障预警系统，其特征在于，所述数据接口系统包括均与所述望远镜总控系统连接的温度测量数据读取模块、促动器故障模式数据读取模块、故障促动器位置数据读取模块、拟执行任务波段数据读取模块、拟执行观测轨迹数据读取模块、促动器故障预警信息输出模块。

7.如权利要求5所述的望远镜故障预警系统，其特征在于，所述数据前处理系统将所述温度测量数据读取模块读取的构件温度数据转化为有限元模型的温度场边界条件；将所述促动器故障模式数据读取模块读取的促动器故障模式数据、将所述促动器故障模式数据读取模块读取的故障促动器位置数据转化为促动器故障模拟工况；将所述拟执行任务波段数据读取模块读取的望远镜拟执行任务波段、将所述促动器故障预警信息输出模块读取的望远镜拟执行观测轨迹转化为观测任务模拟工况。

8.如权利要求5所述的望远镜故障预警系统，其特征在于，所述力学仿真系统包括有限元模型、简化仿真分析系统和促动器故障模拟系统,需要将温度场数据、促动器故障工况、观测任务模拟工况等边界条件加载到有限元模型中，结合促动器故障模拟系统及简化仿真分析系统，针对望远镜的观测轨迹进行大规模仿真分析，得到望远镜支撑结构主要承力构件的应力时程数据及望远镜的面型精度水平。

9.如权利要求5所述的望远镜故障预警系统，其特征在于，所述数据后处理系统将所述力学仿真系统获得的关键部件的应力时程数据转化为构件疲劳预警信息及构件强度预警信息；同时，结合望远镜的观测任务波段，评价望远镜的控制精度是否满足要求，不满足要求时发出精度预警信息，并发出启动促动器维修指令。

10.如权利要求9所述的望远镜故障预警系统，其特征在于，所述构件疲劳预警信息首先是利用雨流计数方法对构件应力时程曲线进行处理，然后再基于线性损伤累积准则进行疲劳评估，计算构件的疲劳损伤因子，当损伤因子达到0.1时，发出疲劳预警信息。