CN105090000B - 一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，包括步骤一：确定真空系统不同情况下的时域信号曲线：步骤二：建立容器内气体压力模型：步骤三：确定气体压力模型特征参数，步骤四：确定有关压力信号的故障模式；步骤五：确定泵壳温度和电流信号的自适应阈值；步骤六：自适应阈值的有效性验证以及故障显示；本发明针对空间环境模拟器粗抽真空系统的实际情况，对于真空容器内的压力信号，基于解析模型的方法能够简单精确的反映信号的变化过程，在进行参数比较时较准确；对于泵壳温度信号和泵的电流信号，自适应阈值方法能够根据信号自身的特点，采用适应信号本身特点的阈值，能够降低误判和漏报的概率，提高故障诊断的准确性。

Description

一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，属于机械设备故障诊断技术领域。

背景技术

为了提高航天器的可靠性，自60年代以来各国已建造了数千台不同类型的空间环境模拟器，空间环境模拟器(Space Environment Simulator)是模拟太空的真空环境、太阳辐照环境、冷黑环境等的用于航天器或其大型分系统的真空热试验设备，由真空容器、热沉系统、真空系统、氮系统和测控系统组成，真空容器为模拟器主体，真空系统用于获得空间的真空环境。为方便后续工作，粗抽真空系统需将真空容器粗抽到低真空。

由于许多无法避免的因素的影响，有时设备会出现各种故障以致降低其预定的功能甚至造成严重的灾难性事故，为了防止恶性事故发生，避免人员伤亡、财产损失，对设备进行故障诊断是保证设备安全可靠运行的重要手段。为了保证设备的安全可靠运行，保证获取更大的经济效益和社会效益，需要对空间环境模拟器的粗抽真空系统进行故障诊断。

基于解析模型的故障检测与诊断方法是通过系统实际行为与基于模型的预期行为的差异分析与比较，检测系统是否发生故障，并对故障发生的部位、故障的大小及类型进行诊断。基于解析模型的故障检测和诊断方法在故障诊断的研究中占有重要的地位，它充分利用了系统模型的深层知识进行故障诊断，具体是指使用系统的结构、行为和功能等方面的知识对系统进行诊断推理。这就需要建立系统结构、行为和功能模型。在基于数学模型的方法中，参数估计诊断法简单实用，能够及时准确地检测出是否有故障发生，当故障由参数的显著变化来描述时，可利用已有的参数估计方法来检测故障信息，根据参数的估计值与正常值之间的偏差情况来判定系统的故障情况。相比状态估计诊断法而言，计算简单，过程简洁，步骤较少，更为快捷。

在对空间环境模拟器真空系统的故障检测中，红线系统或阈值检测是工程上最方便、最常见的一种基于系统输出信号的检测方法。但是，由于红线系统采用比较简单的阈值检测方法，导致故障覆盖面有限，早期的故障检测能力不高，且常发生故障的误检或漏检等现象。故障的误检或漏检是由阈值的大小不合适造成的，阈值过小则会引起误报、过大则会漏报，所以最好是能根据工作条件，自适应地改变阈值的大小，降低误报率和漏报率。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，本发明在得到作为故障特征信号之一压力信号在正常情况和不同故障模式下的变化规律后，建立真空容器内气体压力在不同工作模式下的数学模型，进而得到关于压力的理论模型不同工作模式下的参数值，将在线计算得到的模型参数与理论模型参数作对比，作为判断是何种故障的依据。并且针对空间环境模拟器真空系统故障诊断时的阈值，进行自适应阈值的设计。在得到故障特征信号的正常情况下的变化曲线后,根据其具体的变化规律，对某一具体信号建立自适应变化的阈值。

一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，具体包括：

步骤一：确定真空系统不同情况下的时域信号曲线：

通过仿真，得到真空系统压力信号在正常工况和不同故障模式下的变化曲线，故障模式包括漏气、粗抽泵故障、泵壳温度异常和泵的输入电流异常四种故障，得到真空系统泵壳温度信号和泵的电流信号的正常变化曲线；

步骤二：建立容器内气体压力模型：

综合判断不同情况下的压力信号曲线，拟合压力曲线，得到容器内气体压力模型为：

p_t＝k₁+k₃exp(-k₂t) (1)

式中：p_t为容器内的压力；t为自变量，是抽气时间，k₁为泵的极限真空度值，k₃、k₂为常数，k₁、k₂和k₃为容器内气体压力模型的特征参数，通过步骤三来确定；

步骤三：确定气体压力模型特征参数

通过仿真，得到粗抽真空系统在无故障情况、粗抽泵故障和漏气情况下的容器内气体压力变化曲线，对三个压力曲线进行曲线拟合，将得到的压力数据代入步骤二中的压力模型，得到无故障情况、粗抽泵故障和漏气三种情况下的特征参数的取值范围；

步骤四：确定有关压力信号的故障模式；

在粗抽真空系统实际运行时，将实时采集得到的压力数据进行曲线拟合，把得到的实际压力曲线模型参数与步骤三中得到的理论压力曲线模型的特征参数k₁和k₃做对比，进行判断，若符合上述步骤三种特征参数的给定范围，则判定系统存在所在范围内参数所对应的故障；

步骤五：确定泵壳温度和电流信号的自适应阈值；

针对泵壳温度选取自适应阈值：

设置时间分段点t＝100，自适应阈值tp分为两段，对于温度上升阶段，采用直线段拟合自适应变化的阈值tp＝0.15×t+30；对于温度平稳变化的曲线段，采用水平直线拟合自适应的阈值tp＝45；

针对电流信号选取自适应阈值：

当直流电机电流处于波动阶段，采取高于波动电流值的自适应阈值，t＜80时，自适应阈值i＝30；当电流下降阶段，采用直线段拟合自适应阈值，80＜t＜＝230时，自适应阈值i＝-0.037t+34；当电流在逐渐逼近定值的阶段，拟合得到t＞230时，自适应阈值i＝25；

步骤六：自适应阈值的有效性验证以及故障显示；

利用仿真，将仿真得到泵壳温度和泵的电流信号的正常曲线和故障曲线作为实际输入信号，验证自适应阈值的有效性；

进行泵壳温度和电流信号的故障判断：若实际的温度信号或电流信号超过自身阈值，则存在相应故障；结合步骤四，综合显示系统所存在的故障。

本发明的优点在于：

针对空间环境模拟器粗抽真空系统的实际情况，对于真空容器内的压力信号，基于解析模型的方法能够简单精确的反映信号的变化过程，且便于理解，在进行参数比较时较准确；对于泵壳温度信号和泵的电流信号，自适应阈值方法能够根据信号自身的特点，采用适应信号本身特点的阈值，能够降低误判和漏报的概率，提高故障诊断的准确性。

附图说明

图1是空间环境模拟器的示意图；

图2是粗抽真空系统正常情况下的容器内气体压力变化曲线；

图3是粗抽真空系统漏气量过大情况下的容器内气体压力变化曲线；

图4是粗抽真空系统粗抽泵故障情况下的容器内气体压力变化曲线；

图5是粗抽真空系统泵壳电流正常情况下的变化曲线；

图6是粗抽真空系统泵壳电流过大情况下的变化曲线；

图7是粗抽真空系统泵壳温度正常情况下的变化曲线；

图8是粗抽真空系统泵壳温度过高情况下的变化曲线；

图9是本发明的方法流程图；

图10是利用泵壳温度信号判断故障的自适应阈值曲线示意图；

图11是利用泵的电流信号判断故障的自适应阈值曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明针对的对象是空间环境模拟器的粗抽真空系统，空间环境模拟器的示意图如图1所示，包括气动插板泵V4、电阻规G6、气动挡板阀V6、过滤器F1和干泵P4。真空热试验装备连接气动插板泵V4，接着连接电阻规G6，然后气动挡板阀V6和过滤器F1串联后，气动挡板阀V6另一端连接电阻规G6，然后顺次连接干泵P4。

本发明的一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，流程如图9所示，具体包括：

步骤一：确定真空系统不同情况下的时域信号曲线；

通过AMESim和LabVIEW联合仿真，得到真空系统压力信号在正常工况和不同故障模式下的变化曲线，故障模式包括漏气(根据工作要求，本发明漏气是指5分钟后真空容器内压力大于5Pa)、粗抽泵故障、泵壳温度异常和泵的输入电流异常四种故障，得到真空系统泵壳温度信号和泵的电流信号的正常变化曲线；

步骤二：建立容器内气体压力模型；

综合判断不同情况下的压力信号曲线，拟合压力曲线，得到容器内气体压力模型为：

p_t＝k₁+k₃exp(-k₂t) (1)

式中：p_t为容器内的压力；t为自变量，是抽气时间，k₁为泵的极限真空度值，k₃、k₂为与泵、容器大小、环境压力等相关的常数，这些参数k₁、k₂和k₃作为容器内气体压力模型的特征参数，通过步骤三来确定。

步骤三：确定气体压力模型特征参数；

利用LabVIEW仿真，得到粗抽真空系统在无故障情况、粗抽泵故障和漏气(在AMESim软件中，此处通过泵出口处接一个节流阀仿真实现，开口直径设置为2)情况下的容器内气体压力变化曲线，三个压力曲线分别如图2、3和4所示。通过对三个压力曲线进行曲线拟合，将得到的压力数据代入步骤二种的压力模型，得到无故障情况、粗抽泵故障和漏气三种情况下的特征参数，在故障诊断时，将实际气体压力模型的特征参数与上述三种气体压力模型的特征参数进行对比，实现对理论模型参数值的归类。

在编程时，发现k₂值变化不大，在0.000245附近变化，变化幅度为0.000009，对故障诊断结果的影响和干扰较小,为了简化运算和降低程序复杂程度，因此将其统一为0.000245，此时，压力模型为：

p_t＝k₁+k₃*exp(-0.000245*t) (2)

经过LabVIEW仿真,随着仿真抽气过程的进行,仿真数据不断增加,曲线拟合得到的k₁、k₃值逐渐趋于稳定,在t＝100时,各模型特征参数变化范围已经很小。在仿真正常情况时，得到k₃变化范围为10510～10518，k₁变化范围为小于32附近；在粗抽泵故障时，得到k₃变化范围为9400～10008，k₁变化范围为大于1370附近；在漏气时，得到k₃变化范围为10490～10500，k₁变化范围为大于-25附近。这些参数k₁和k₃作为理论压力曲线模型在三种情况下的特征参数。

步骤四：确定有关压力信号的故障模式；

在粗抽真空系统实际运行时，利用步骤二和步骤三中的方法，利用LabVIEW编程实现，将实时采集得到的压力数据进行曲线拟合，把得到的实际压力曲线模型参数与步骤三中得到的理论压力曲线模型的特征参数k₁和k₃做对比，通过C语言编程进行判断，若符合上述步骤三种特征参数的给定范围，则可判定系统存在所在范围内参数所对应的故障。

具体方法如下：

程序中判断系统是否在正常情况下的数值为g0，判断是否存在粗抽泵故障的数值为g1，判断是否存在漏气故障的数值为g2，以此作为判断各个故障的标志，令它们的初值为0，若是相应故障存在，则值为1。比如，若是在存在漏气故障模式下，如果实际模型参数在理论模型参数范围内，则记录判断是否存在漏气的数值g2加1，若不在给定范围内，则数值为0。根据这种方法，每一时刻依次对比判断是何种故障。a0和a2分别代表系统实际的压力模型中与k₁和k₃对应的特征参数。具体程序可描述为：例如当系统运行到t＝100时，判断a2是否在10510～10518之间，并且a0小于32，若是，则g0＝0,若不是，则g0＝1；接着判断a2是否在9400～10008之间，并且a0大于1370，若是，则g1＝1,若不是，则g1＝0；然后判断a2是否在10490～10500之间，并且a0大于-25，若是，则g2＝1,若不是，则g2＝0。

通过上述程序，判断三个标志g0、g1和g2中哪一个为1，即可判断出是何种故障。

步骤五：确定泵壳温度和电流信号的自适应阈值；

在故障模式下，泵壳温度和电流变化曲线分别如图7和图8所示。在无故障情况下，泵壳温度和电流变化曲线分别如图5和图6所示。根据正常情况下的信号变化曲线设置适合空间环境模拟器的自适应阈值曲线。具体如下：

对于泵壳温度的变化曲线，温度刚开始缓慢上升，然后逐渐逼近一个值，由于温度是缓慢变化的，当温度超过一定阈值后，引起报警。选取合适的时间分段点t＝100，将自适应阈值tp分为两段，对于刚开始温度上升阶段，采用直线段拟合自适应变化的阈值，在正常情况下仿真时不引起报警，在故障模式下仿真时能够引起报警，拟合得到tp＝0.15×t+30；对于之后较平稳变化的曲线段，采用水平直线拟合自适应的阈值，拟合得到tp＝45。

对于泵的电流的变化曲线，由于一开始给直流电机加电压时，转子速度没有达到稳定值，所以会产生波动，波动阶段电流值可能会很高，超过阈值，因此采取高于波动电流值的自适应阈值，t＜80时，i＝30；之后电流会下降，并无限逼近一个定值。在下降阶段内，采用直线段拟合自适应阈值，使得在正常情况下不引起报警，在故障模式下能够引起报警，拟合得到80＜t＜＝230时，i＝-0.037t+34；在逐渐逼近定值的阶段，拟合得到t＞230时，i＝25。

自适应阈值的应用情况如图10和11所示。图10和图11中三条曲线从上至下依次为故障曲线，自适应阈值曲线和无故障曲线。

步骤六：自适应阈值的有效性验证以及故障显示；

利用LabVIEW仿真，将仿真得到泵壳温度和泵的电流信号的正常曲线和故障曲线作为实际输入信号，验证自适应阈值的有效性，并综合显示系统所存在的故障。

Claims (4)

1.一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，具体包括：

步骤一：确定真空系统不同情况下的时域信号曲线；

通过仿真，得到真空系统压力信号在正常工况和不同故障模式下的变化曲线，故障模式包括漏气、粗抽泵故障、泵壳温度异常和泵的输入电流异常四种故障，得到真空系统泵壳温度信号和泵的电流信号的正常变化曲线；

步骤二：建立容器内气体压力模型；

综合判断不同情况下的压力信号曲线，拟合压力曲线，得到容器内气体压力模型为：

p_t＝k₁+k₃exp(-k₂t) (1)

式中：p_t为容器内的压力；t为自变量，是抽气时间，k₁为泵的极限真空度值，k₃、k₂为常数，k₁、k₂和k₃为容器内气体压力模型的特征参数，通过步骤三来确定；

步骤三：确定气体压力模型特征参数；

通过仿真，得到粗抽真空系统在无故障情况、粗抽泵故障和漏气情况下的容器内气体压力变化曲线，对三个压力曲线进行曲线拟合，将得到的压力数据代入步骤二中的压力模型，得到无故障情况、粗抽泵故障和漏气三种情况下的特征参数的取值范围；

步骤四：确定有关压力信号的故障模式；

在粗抽真空系统实际运行时，将实时采集得到的压力数据进行曲线拟合，把得到的实际压力曲线模型参数与步骤三中得到的理论压力曲线模型的特征参数k₁和k₃做对比，进行判断，若符合上述步骤三种特征参数的给定范围，则判定系统存在所在范围内参数所对应的故障；

步骤五：确定泵壳温度和电流信号的自适应阈值；

针对泵壳温度选取自适应阈值：

设置时间分段点t＝100，自适应阈值tp分为两段，对于温度上升阶段，采用直线段拟合自适应变化的阈值tp＝0.15×t+30；对于温度平稳变化的曲线段，采用水平直线拟合自适应的阈值tp＝45；

针对电流信号选取自适应阈值：

当直流电机电流处于波动阶段，采取高于波动电流值的自适应阈值，t＜80时，自适应阈值i＝30；当电流下降阶段，采用直线段拟合自适应阈值，80＜t＜＝230时，自适应阈值i＝-0.037t+34；当电流在逐渐逼近定值的阶段，拟合得到t＞230时，自适应阈值i＝25；

步骤六：自适应阈值的有效性验证以及故障显示；

利用仿真，将仿真得到泵壳温度和泵的电流信号的正常曲线和故障曲线作为实际输入信号，验证自适应阈值的有效性；

进行泵壳温度和电流信号的故障判断：若实际的温度信号或电流信号超过自身阈值，则存在相应故障；结合步骤四，综合显示系统所存在的故障。

2.根据权利要求1所述的一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，所述的步骤二中，取k₂＝0.000245，则压力模型为：

p_t＝k₁+k₃*exp(-0.000245*t) (2)。

3.根据权利要求1所述的一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，所述的步骤三中，正常情况时，k₃变化范围为10510～10518，k₁变化范围为小于32；在粗抽泵故障时，k₃变化范围为9400～10008，k₁变化范围为大于1370；在漏气时，k₃变化范围为10490～10500，k₁变化范围为大于-25。

4.根据权利要求1所述的一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，所述的步骤四中，具体判断方法为：

设判断系统是否在正常情况下的数值为g0，判断是否存在粗抽泵故障的数值为g1，判断是否存在漏气故障的数值为g2，以此作为判断各个故障的标志，令它们的初值为0，若是相应故障存在，则值为1；设a0和a2分别代表系统实际的压力模型中与k₁和k₃对应的特征参数；实时判断a2是否在10510～10518之间，并且a0小于32，若是，则g0＝0，若不是，则g0＝1；接着判断a2是否在9400～10008之间，并且a0大于1370，若是，则g1＝1，若不是，则g1＝0；然后判断a2是否在10490～10500之间，并且a0大于-25，若是，则g2＝1,若不是，则g2＝0；最终根据g0、g1和g2的取值，得到故障类型。