CN105445581A - 一种基于Modelica模型的故障检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Modelica模型的故障检测系统及其方法，该系统包括Modelica模型编辑器、模型求解器、模型后处理器、信号转换器、数据处理器、残差生成器和阀值检测器等。本发明主要通过采用Modelica建模分析技术来实现系统故障的检测，凭借Modelica语言建模简单、展示直观、适用性强等特点，使得该方法能够很好的适应于机电液控耦合性较强的复杂系统；通过基于模型的检测方法，无需大量的数据储备和硬件投入，既缩短了故障检测平台建设的周期，又有效的控制了建设成本；通过该方法可以动态地反映故障发生的情况，使得检测变得更为高效和准确，并可为后续的故障隔离与控制等工作提供及时的信息输入，有效的阻止故障的进一步发生，更好的保障系统和人员的安全。

Description

一种基于Modelica模型的故障检测系统及其方法

技术领域

本发明属于复杂机电系统领域，具体涉及一种基于Modelica模型的故障检测系统及其方法。

背景技术

随着用户对机电产品适用性、安全性和可维护性等方面要求的不断提高，促使机电系统的功能和性能需求不断增加，导致系统的复杂程度也在不断攀升，从而使得引发系统故障的可能性也在不断增大，且故障种类和形式变得越来越多样化。因此，如何高效、准确地检测出复杂系统的故障已成为当前产品设计和应用过程中的一项既有意义又有挑战的工作。

由于复杂机电系统存在元件种类多、专业耦合性强、工作机理复杂、综合测试困难等特点，使得基于数据和基于经验知识的传统检测方法很难满足要求，其具体体现为：

1）基于数据检测方法：需要大量的历史数据，如果给定的数据不完全、不详细和不精确，那么对应的检测也是不完全、不详细和不精确的；然而，对于复杂系统来说，这些数据的获取又十分困难；

2）基于经验知识检测方法：过多依赖于专家的经验知识（浅知识），弱化对诊断对象的结构、功能、原理等知识（深知识）的研究，很难对系统故障的进行深层次的检测。

相比之下，基于模型的故障检测方法除了能够有效的避免上述传统检测方法不足外，还能够很好的实现由表象到机理、由定性到定量、由单点到多点、由零部件到系统的故障研究，且其具有很强的互用性，能够有效的适应不同类型的系统。

然而，针对基于模型的故障检测方法，目前主要采用的因果式建模来实现模型的开发，这种开发方式，不仅需要开发者对复杂系统进行解耦，清楚的定义模型的输入输出，而且需要开发者掌握复杂系统模型的编译和求解技术，受到这两点要求的制约，通过此方法开发的模型很难得到实际应用的认可。

发明内容

为了解决上述因果式建模存在的问题，本发明旨在提供一种基于Modelica模型的故障检测系统及其方法，其具备基于方程的陈述式表达特点，优点在于用户可以不用明确的定义输入输出变量，其只在方程系统求解时工具才会自动确定变量的因果关系，故无需模型开发者面临因果式建模中的两大难点，可以方便开发者构建复杂系统模型以用于故障检测。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于Modelica模型的故障检测系统，包括Modelica模型编辑器、Modelica模型求解器、Modelica模型后处理器、信号转换器、数据处理器、残差生成器和阀值检测器；

所述Modelica模型编辑器和所述信号转换器的输入端分别与信号输入源连接，所述Modelica模型编辑器的输出端依次连接所述Modelica模型求解器和所述Modelica模型后处理器，所述信号转换器的输出端与真实系统连接，所述数据处理器的输入端与真实系统连接，所述Modelica模型后处理器和所述数据处理器的输出端分别与所述残差生成器的输入端连接，所述残差生成器的输出端与所述阀值检测器的输入端连接，所述阀值检测器的输出端与显示器连接；

所述Modelica模型编辑器的功能在于构建与所述真实系统相对应的Modelica系统模型；

所述Modelica模型求解器可实现对所述Modelica模型编辑器所构建的Modelica系统模型的编译和求解，能够求解出所述真实系统中的未知变量；

所述Modelica模型后处理器可实现对所述Modelica模型求解器的求解结果进行筛选和输出；

所述信号转换器可将输入的数字信号转换成模拟信号作用于所述真实系统；

所述数据处理器可将对所述真实系统检测的模拟信号转化成输出的数字信号，并对干扰信息进行处理；

所述残差生成器可读入所述Modelica模型后处理器和所述数据处理器的结果，并对两者数据结果进行做差比较，得到残差信息；

所述阀值检测器将所述残差生成器生成的残差信息和正常工况的阀值进行比较，检测残差是否处于阀值区间，进而评判所述真实系统是否处于故障状态。

一种基于Modelica模型的故障检测方法，包括如下步骤：

步骤0）根据已经完成的真实系统的结构和原理，利用所述Modelica模型编辑器，采用Modelica语言开发一套与所述真实系统相对应的Modelica系统模型；

步骤1）根据所述真实系统正常情况下的上下限工作要求，通过对开发好的所述Modelica系统模型进行仿真，得到所述真实系统正常工况下的检测参数的上下限阀值；

步骤2）将系统输入信号通过所述信号转换器作用到所述真实系统对象上，利用所述数据处理器对所述真实系统的测试数据进行收集、过滤、转化和输出；

步骤3）将系统输入信号通过所述Modelica模型编辑器作用到所述Modelica系统模型上，调用所述Modelica模型求解器对所述Modelica系统模型进行求解，再利用所述Modelica模型后处理器对求解结果数据进行筛选和输出；

步骤4）根据步骤1中所述数据处理器输出的结果和步骤2中所述Modelica模型后处理器输出的结果，由所述残差生成器读取两部分结果，并按照统一形式对两部分数据进行作差对比，得到比较后的残差结果；

步骤5）通过所述阀值检测器导入所述残差生成器比较后得到的残差结果，并将残差结果与步骤1得到的上下限阀值作比较，评判该残差结果是否处于正常的阀值区间内，若比较结果超出了正常区间，则发出所述真实系统的故障告警信息。

进一步的，步骤3可与步骤1同步进行。

本发明的有益效果是：

本发明主要通过采用Modelica建模分析技术来实现系统故障的检测，凭借Modelica语言建模简单、展示直观、适用性强等特点，使得该方法能够很好的适应于机电液控耦合性较强的复杂系统；同时，通过基于模型的检测方法，无需大量的数据储备和硬件投入，不仅可以大大缩短故障检测平台建设的周期，而且可以有效的控制平台建设的成本；再者，通过该方法可以动态地反映故障发生的情况，使得检测变得更为高效和准确，并可为后续的故障隔离和故障控制等工作提供及时的信息输入，有效的阻止故障的进一步发生，更好的保障系统和人员的安全性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的故障检测系统的结构框图；

图2为本发明的故障检测方法的流程图；

图3为以电机为例的Modelica系统模型示意图；

图4为电机在正常工况下的角速度上下限阀值曲线图；

图5为利用本发明得出的真实电机的角速度检测结果曲线图；

图6为利用本发明得出的Modelica系统模型电机的角速度检测结果曲线图；

图7为利用本发明得出的电机角速度残差比较结果图；

图8为利用本发明得出的电机角速度残差评价结果图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参见图1所示，一种基于Modelica模型的故障检测系统，包括Modelica模型编辑器1、Modelica模型求解器2、Modelica模型后处理器3、信号转换器4、数据处理器5、残差生成器6和阀值检测器7；

所述Modelica模型编辑器1和所述信号转换器4的输入端分别与信号输入源8连接，所述Modelica模型编辑器1的输出端依次连接所述Modelica模型求解器2和所述Modelica模型后处理器3，所述信号转换器4的输出端与真实系统9连接，所述数据处理器5的输入端与真实系统9连接，所述Modelica模型后处理器3和所述数据处理器5的输出端分别与所述残差生成器6的输入端连接，所述残差生成器6的输出端与所述阀值检测器7的输入端连接，所述阀值检测器7的输出端与显示器10连接；

所述Modelica模型编辑器1的功能在于构建与所述真实系统9相对应的Modelica系统模型；

所述Modelica模型求解器2可实现对所述Modelica模型编辑器1所构建的Modelica系统模型的编译和求解，能够求解出所述真实系统9中的未知变量；

所述Modelica模型后处理器3可实现对所述Modelica模型求解器2的求解结果进行筛选和输出；

所述信号转换器4可将输入的数字信号转换成模拟信号作用于所述真实系统9；

所述数据处理器5可将对所述真实系统9检测的模拟信号转化成输出的数字信号，并对干扰信息进行处理；

所述残差生成器6可读入所述Modelica模型后处理器3和所述数据处理器5的结果，并对两者数据结果进行做差比较，得到残差信息；

所述阀值检测器7将所述残差生成器6生成的残差信息和正常工况的阀值进行比较，检测残差是否处于阀值区间，进而评判所述真实系统9是否处于故障状态。

参见图2所示，一种基于Modelica模型的故障检测方法，包括如下步骤：

步骤0）根据已经完成的真实系统9的结构和原理，利用所述Modelica模型编辑器1，采用Modelica语言开发一套与所述真实系统9相对应的Modelica系统模型；

步骤1）根据所述真实系统9正常情况下的上下限工作要求，通过对开发好的所述Modelica系统模型进行仿真，得到所述真实系统9正常工况下的检测参数的上下限阀值；

步骤2）将系统输入信号通过所述信号转换器4作用到所述真实系统9对象上，利用所述数据处理器5对所述真实系统9的测试数据进行收集、过滤、转化和输出；

步骤3）将系统输入信号通过所述Modelica模型编辑器1作用到所述Modelica系统模型上，调用所述Modelica模型求解器2对所述Modelica系统模型进行求解，再利用所述Modelica模型后处理器3对求解结果数据进行筛选和输出；步骤3可与步骤1同步进行；

步骤4）根据步骤1中所述数据处理器5输出的结果和步骤2中所述Modelica模型后处理器3输出的结果，由所述残差生成器6读取两部分结果，并按照统一形式对两部分数据进行作差对比，得到比较后的残差结果；

步骤5）通过所述阀值检测器7导入所述残差生成器6比较后得到的残差结果，并将残差结果与步骤1得到的上下限阀值作比较，评判该残差结果是否处于正常的阀值区间内，若比较结果超出了正常区间，则发出所述真实系统9的故障告警信息。

以电机的角速度检测为例，具体方法如下：

步骤0）根据电机的结构和原理，参见图3所示，利用所述Modelica模型编辑器1，采用Modelica语言开发一套与该电机相对应的Modelica系统模型；

步骤1）根据所述电机正常情况下的上下限工作要求，通过对开发好的所述Modelica系统模型进行仿真，参见图4所示，得到真实电机正常工况下的角速度的上下限阀值；

步骤2）将系统输入信号通过所述信号转换器4作用到所述电机上，利用所述数据处理器5对检测出的所述电机的角速度阀值进行收集、过滤、转化和输出，参见图5所示，生成真实电机的角速度检测结果曲线；

步骤3）将系统输入信号通过所述Modelica模型编辑器1作用到所述Modelica系统模型上，调用所述Modelica模型求解器2对所述Modelica系统模型进行求解，获取所述Modelica系统模型中的角速度检测结果，再利用所述Modelica模型后处理器3对角速度检测结果数据进行筛选和输出，参见图6所示，生成模型电机的角速度检测结果曲线图；

步骤4）根据步骤1中所述数据处理器5输出的结果和步骤2中所述Modelica模型后处理器3输出的结果，由所述残差生成器6读取两部分结果，并按照统一形式对所述电机和所述系统模型的角速度检测数据进行作差对比，参见图7所示，得到比较后的残差结果，生成电机角速度残差比较结果图；

步骤5）通过所述阀值检测器7导入所述残差生成器6比较后得到的残差结果，并将残差结果与步骤1得到的角速度的上下限阀值作比较，参见图8所示，生成电机角速度残差评价结果图，评判该残差结果是否处于正常的阀值区间内，若比较结果超出了正常区间，则发出所述电机的故障告警信息。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于Modelica模型的故障检测系统，其特征在于：包括Modelica模型编辑器（1）、Modelica模型求解器（2）、Modelica模型后处理器（3）、信号转换器（4）、数据处理器（5）、残差生成器（6）和阀值检测器（7）；

所述Modelica模型编辑器（1）和所述信号转换器（4）的输入端分别与信号输入源（8）连接，所述Modelica模型编辑器（1）的输出端依次连接所述Modelica模型求解器（2）和所述Modelica模型后处理器（3），所述信号转换器（4）的输出端与真实系统（9）连接，所述数据处理器（5）的输入端与真实系统（9）连接，所述Modelica模型后处理器（3）和所述数据处理器（5）的输出端分别与所述残差生成器（6）的输入端连接，所述残差生成器（6）的输出端与所述阀值检测器（7）的输入端连接，所述阀值检测器（7）的输出端与显示器（10）连接；

所述Modelica模型编辑器（1）的功能在于构建与所述真实系统（9）相对应的Modelica系统模型；

所述Modelica模型求解器（2）可实现对所述Modelica模型编辑器（1）所构建的Modelica系统模型的编译和求解，能够求解出所述真实系统（9）中的未知变量；

所述Modelica模型后处理器（3）可实现对所述Modelica模型求解器（2）的求解结果进行筛选和输出；

所述信号转换器（4）可将输入的数字信号转换成模拟信号作用于所述真实系统（9）；

所述数据处理器（5）可将对所述真实系统（9）检测的模拟信号转化成输出的数字信号，并对干扰信息进行处理；

所述残差生成器（6）可读入所述Modelica模型后处理器（3）和所述数据处理器（5）的结果，并对两者数据结果进行做差比较，得到残差信息；

所述阀值检测器（7）将所述残差生成器（6）生成的残差信息和正常工况的阀值进行比较，检测残差是否处于阀值区间，进而评判所述真实系统（9）是否处于故障状态。

2.一种利用如权利要求1所述的系统的故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤0）根据已经完成的真实系统（9）的结构和原理，利用所述Modelica模型编辑器（1），采用Modelica语言开发一套与所述真实系统（9）相对应的Modelica系统模型；

步骤1）根据所述真实系统（9）正常情况下的上下限工作要求，通过对开发好的所述Modelica系统模型进行仿真，得到所述真实系统（9）正常工况下的检测参数的上下限阀值；

步骤2）将系统输入信号通过所述信号转换器（4）作用到所述真实系统（9）对象上，利用所述数据处理器（5）对所述真实系统（9）的测试数据进行收集、过滤、转化和输出；

步骤3）将系统输入信号通过所述Modelica模型编辑器（1）作用到所述Modelica系统模型上，调用所述Modelica模型求解器（2）对所述Modelica系统模型进行求解，再利用所述Modelica模型后处理器（3）对求解结果数据进行筛选和输出；

步骤4）根据步骤1中所述数据处理器（5）输出的结果和步骤2中所述Modelica模型后处理器（3）输出的结果，由所述残差生成器（6）读取两部分结果，并按照统一形式对两部分数据进行作差对比，得到比较后的残差结果；

步骤5）通过所述阀值检测器（7）导入所述残差生成器（6）比较后得到的残差结果，并将残差结果与步骤1得到的上下限阀值作比较，评判该残差结果是否处于正常的阀值区间内，若比较结果超出了正常区间，则发出所述真实系统（9）的故障告警信息。

3.根据权利要求2所述的故障检测方法，其特征在于：所述步骤3可与所述步骤1同步进行。