CN106250608A - 一种基于Modelica模型的故障管理方法 - Google Patents

一种基于Modelica模型的故障管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于Modelica模型的故障管理方法，具体步骤如下：一、故障分析；二、故障分类；三、故障建模；四、故障提取；五、故障注入，实现更改Modelica模型中故障元件的参数，包括有参数类型故障注入和变量类型故障注入；通过以上步骤，实现了基于Modelica模型的故障管理，具有故障元件柔性化建模，统一的故障管理界面，采用了统一的故障注入方式，便于后续故障管理相关搜寻方法的应用。本发明凭借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耦合性较强的复杂系统，提供了统一、可靠的故障管理方法，缩短了后续故障诊断平台的建设周期，具有推广应用价值。

Description

一种基于Modelica模型的故障管理方法
技术领域
本发明提供一种基于Modelica模型的故障管理方法，属于复杂机电系统领域。
背景技术
随着机电系统的复杂程度不断攀升，为了提高系统的可靠性，针对机电系统的故障检测和健康管理变得越来越重要。且对系统实施故障检测和健康管理的相关算法，需要可靠的预测模型结合有效的故障管理方法，以保证触发系统的所有可能故障。因此，一个统一、可靠的故障管理方法是实施系统故障检测和健康管理的重要环节。
基于Modelica模型的故障管理方法，实现了仿真模型和故障模型的统一管理。并为下一步基于Modelica模型的故障检测，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，提供了有效的实施手段。
目前，基于Modelica模型的故障管理方法不能够统一，各种方法存在各自的缺点，使得基于Modelica模型的故障检测，不能够相互匹配。
(1)[Inclusion of Reliability and Safety Analysis Methods inModelica.In Inclusion of Reliability and Safety Analysis Methodsin Modelica(June 2011),pp.616–627]中，Modelica故障管理,采用参数类型数据定义故障，不能管理变量类型故障，无法反映系统的动态属性。
(2)[Fault Detection of Power Electronic Circuit using WaveletAnalysis in Modelica.In Proceedings of the 9th International MODELICAConference(Munich,Germany,Sept.2012),no.76,pp.513–522]中，只能管理预先设置的故障类型，不能根据需求定义故障的类型。
(3)[A Tool for Simulation-based Test of Mechatronic Designs.InProceedings of the 6th International Modelica Conference(2008)pp.341–348]中，Modelica故障实施中，通过外部程序设定不确定的间隔并结合模型行为来实施故障管理，故不支持统一的故障注入方式。
发明内容
(一)本发明的目的在于提供一种基于Modelica模型的故障管理方法，以改善现有技术存在的上述缺陷。该方法按照故障分析、故障分类、故障建模、故障提取、故障注入的流程，实现Modelica故障模型的统一管理。该方法的优点是：
1)针对系统故障分析的结果，应用故障分类建立的Modelica标准化故障管理包，实现根据需求定义故障元件，便于故障元件柔性化建模。
2)针对完成的故障元件建模，自动提取系统故障元件信息到统一界面，便于统一的故障管理。
3)针对参数故障和变量故障，分别选用统一的故障注入方式，便于不同的故障诊断方式，选用相同的故障注入方式进行故障管理。
(二)技术方案
本发明是一种基于Modelica模型的故障管理方法，其实现的技术流程包括：故障分析、故障分类、故障建模、故障提取、故障注入。本发明首先针对具体的机电系统Modelica模型，分析其常见故障，及其产生故障的原因；并通过归纳故障类型和Modelica数据类型，建立Modelica标准化故障管理包，然后根据故障分析、故障分类，利用Modelica标准化故障管理包，建立相应故障元件；由于采用了Modelica标准化故障管理包对故障元件建模，通过分析Modelica元件故障模型树，可提取系统故障元件信息到统一的界面，最后针对参数类型故障和变量类型故障，分别采用统一的故障注入方式，实现基于Modelica模型的故障管理。
本发明是一种基于Modelica模型的故障管理方法，该方法具体步骤(见图1)如下：
步骤一：故障分析
针对具体的机电系统Modelica模型，分析其常见故障，及其产生故障的原因，得出机电系统的可能故障项，其作法如下：
a)将Modelica模型按照“系统模型——子系统模型——部件模型”逐级分解；
b)各级部件模块的输入均为机电系统的可能故障原因；
c)根据实际需求，从可能故障原因中，选取其为机电系统故障项。
步骤二：故障分类
通过归纳故障类型和Modelica数据类型，建立Modelica标准化故障管理包；其中Modelica标准化故障管理包，由故障类型和Modelica数据类型定义而成；
步骤三：故障建模
针对故障分析得到的可能故障项，根据故障分析、故障分类，利用Modelica标准化故障管理包，建立相应故障元件；为便于故障元件柔性化建模，可灵活采用文本式建模和图形式建模两种方式；
步骤四：故障提取
分析Modelica元件故障模型树(见图2)，带闪电图为故障元件)，检索元件中是否包含Modelica标准化故障管理包(步骤二)定义的数据，提取机电系统的故障元件信息到统一界面；
步骤五：故障注入
实现更改Modelica模型中故障元件的参数，包括有参数类型故障注入和变量类型故障注入。
其中，在步骤二中所述的“故障类型”，分为参数类型故障和变量类型故障；
参数类型故障，是指相对于整个系统的仿真时间而言，期间参数数值不变或变化很小(可忽略不计)的故障类型；参数类型故障，在仿真开始前指定，整个仿真过程中，参数值不发生变化；常见的参数类型故障有：1)齿轮副间隙；2)电阻或电容值；3)传动系统中的滑油粘度；由于参数类型故障具有的固有物理属性，在整个仿真过程中几乎不发生变化，故无需仿真参数类型故障的动态属性；
变量类型故障，是指在整个系统的仿真过程中，变量值发生明显变化的故障类型，在仿真过程中这些量发生变化，反映系统的动态属性(是工程师比较关注的问题)；常见的变量类型故障有：1)半导体元件的短路电流；2)液压油管路的泄露；3)齿箱齿轮的磨损；由于变量类型故障，在仿真过程中发生变化，反映系统的动态属性，故需仿真变量类型故障的动态属性。
其中，在步骤二中所述的“Modelica数据类型”分为：1)布尔型(Boolean)数据，可用来表示布尔型的Modelica故障，该类型故障只有两种离散的故障状态，如电缆的断开故障；2)整数型(Integer)数据，可用来表示整数型的Modelica故障，该类型故障有多种并联的故障状态，如半导体元件的可能工作状态：(a)正常运行；(b)短路状态；(c)开路状态；3)实数型(Real)数据，可用来表示实数型的Modelica故障，该类型故障采用连续变化的不同实数值来表示，如，(a)滑油粘度；(b)轴承摩擦力；(c)电容容量等。
其中，在步骤二中所述的“Modelica标准化故障管理包”由故障类型和Modelica数据类型定义而成，其故障数据类型共有六种，如图3所示；Modelica标准化故障管理包中的故障数据类型采取统一的命名方式，便于后续的故障提取(见步骤四)提供方便；如参数型_实数_故障命名为Parameter_Fault_Real；变量型_实数_故障命名为Variable_Fault_Real，依次类推，定义其余故障；
参数型_实数_故障(Parameter_Fault_Real)的Modelica代码，定义如下：
type Parameter_Fault_Real＝Real"Value of the Real Fault"；
变量型_实数_故障(Variable_Fault_Real)的Modelica代码，定义如下：
record Variable_Fault_Real"External Fault Triggering parameters"
Boolean externalFaultOn＝false"External fault controlling(true＝global)"；
Integer faultIndex＝1"External fault index"；
Integer faultMode＝1"Optional fault mode for model reconfiguration"；
end Variable_Fault_Real；
变量类型故障相对于参数类型故障，采用了额外参数进行故障定义，如下：
1)externalFaultOn，用来设置该变量类型故障，是采用内部的默认变量还是采用外部的全局变量为其故障注入(见步骤五)方式；
2)faultIndex，为全局外部变量编号，明确该变量类型故障属于第几个全局外部变量(见步骤三)；
3)faultMode，用来设置该变量类型故障的不同故障状态。
其中，在步骤三中所述的“文本式建模方式”，是根据元件的建模需求，直接继承(extends)Modelica代码到元件当中，形成故障元件；以参数型_实数_故障(Parameter_Fault_Real)为例，文本式建模方式的Modelica代码如下：
block InternalConstantRealFault
"Generate constant Fault of type Real"
extends FaultTriggering.Utilities.Icons.RealFault；
parameter FaultTriggering.Utilities.Types.Parameter_Fault_Real
constRealFault＝1"Constant output value"；
end InternalConstantRealFault。
其中，在步骤三中所述的“图形式建模方式”，首先分别继承文本式建模方式的Modelica代码(extends FaultTriggering.FaultOutput.Internal.InternalConstantRealFault)和Modelica标准库的标准输出(extends Modelica.Blocks.Interfaces.SO)；然后根据元件的故障输入，在Modelica图形式建模界面，直接拖拽图形式故障图标作为输入和元件连接，两者连接组成故障元件；以参数型_实数_故障(Parameter_Fault_Real)为例，图形式建模方式的Modelica代码如下：
其中，在步骤三中所述的“文本式建模方式和图形式建模方式”，不仅适用于参数类型故障建模，而且适用于变量类型故障建模；变量类型故障元件建模，涉及到全局变量的选取问题；
为全局外部变量编号，解决全局变量的选取问题，将全局变量集中定义在FaultTrigger模型(由Partial_Fault Trigger模型扩展而来)中，Partial_Fault Tirgger模型的Modelica代码如下：
在Partial_Fault Tirgger模型，针对变量类型故障的选取问题：以变量型_实数_故障(Variable_Fault_Real)为例，通过定义参数realFaultSize和定义实数型变量数组realFault[realFaultSize]实现；整型(integer)和布尔型(Boolean)采用类似的方式实现。
其中，在步骤四中所述的“Modelica元件故障模型树(见图2)”，是当有故障元件出现时，由于Modelica模型的层级组织方式形成的；所有的故障元件都以故障模型树的形式存在于Modelica模型库当中；该Modelica元件故障模型树生成步骤：
a)获取机电系统Modelica模型的元件总个数；
b)判断每个元件中是否包含Modelica标准化故障管理包中定义的数据(如果有，该元件则为故障元件)；
c)获取故障元件的名称、参数变量、所属Modelica系统中的路径、前后元件结点等信息；
d)依据Modelica模型的层级组织方式，生成系统对应的Modelica元件故障模型树。
其中，在步骤四中所述的“统一界面”，参数类型故障，是将故障元件信息直接推送到，图4所示框图；变量类型故障，是将故障元件信息统一收集在FaultTrigger模型中，在图形化编辑界面展开FaultTrigger模型，即显示故障元件信息的统一界面(见图5)。
其中，在步骤五中所述的“参数类型故障注入”，是指每个参数类型故障，都由模型中的一个参数定义，参数类型的故障元件信息可在统一界面(图4)管理，通过修改参数，实现参数类型故障注入。
其中，在步骤五中所述的“变量类型故障注入”，首先在Modelica故障元件中采用Inner-Outter结构，然后设置externalFaultOn与FaultTrigger模型进行数据交互，如下Modelica代码段，最后在步骤四故障元件信息统一界面(图5)进行修改，实现变量类型故障注入；
通过以上步骤，实现了基于Modelica模型的故障管理，具有故障元件柔性化建模，统一的故障管理界面，采用了统一的故障注入方式，便于后续故障管理相关搜寻方法的应用。
(三)优点及有益效果
本发明采用Modelica建模技术来实现机电系统的故障管理，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耦合性较强的复杂系统。可根据实际要求，柔性建立故障元件，并采用统一的界面实施故障管理，自动提取系统中的故障元件，缩短了新品测试仿真的开发时间；并为后续的故障诊断，提供了统一、可靠的故障管理方法，缩短了后续故障诊断平台的建设周期。
附图说明
图1本发明所述方法流程图。
图2 Modelica元件故障模型树。
图3 Modelica故障数据类型。
图4参数类型故障统一界面。
图5变量类型故障统一界面。
图6电机传动系统Modelica模型。
图7传动系统Modelica故障模型。
图8电机系统Modelica故障模型。
图中序号、符号、代号说明如下：
图5中，motorKtFailure为电机模块传感器失效故障；drivelineFriction为传动模块刹车片摩擦力变化故障；motorSpeedSenor为电机模块传感器失效故障；drivelineBearing传动模块轴承失效模式故障。
图6中，driveline为传动系统Modelica故障模型，具体如图7所示；motor为电机系统Modelica故障模型，具体如图8所示。
图7中，带闪电图标元件为传动系统的故障项。
图8中，带闪电图标元件为电机系统的故障项。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本实例为电机传动系统Modelica模型(图6)，在Dymola的操作平台上实施。
本发明一种基于Modelica模型的故障管理方法，见图1所示，其实施的具体步骤如下：
步骤一：故障分析。针对具体的机电系统Modelica模型，分析其常见故障，及其产生故障的原因，得出机电系统的可能故障项。实例中的可能故障项有：
1)传动模块刹车片不接触故障
2)传动模块刹车片摩擦力变化故障
3)传动模块轴承失效模式故障
4)传动模块传感器失效故障
5)电机模块传感器失效故障
6)电机模块控制参数故障
步骤二：故障分类。利用定义好的Modelica标准化故障管理包，根据图3对上述故障一一分类，如下：
1)传动模块刹车片不接触故障——参数型_布尔_故障
2)传动模块刹车片摩擦力变化故障——变量型_实数_故障
3)传动模块轴承失效模式故障——变量型_整型_故障
4)传动模块传感器失效故障——参数型_布尔_故障
5)电机模块传感器失效故障——变量型_布尔_故障
6)电机模块控制参数故障——变量型_整型_故障
步骤三：故障建模。传动系统中的故障元件和机电系统的故障元件，分别为图7、8中带闪电图标的元件。其中，图7 disconnect、friction元件和图8 KtFault元件采用图形式建模方式，与对应的元件组合形成故障元件。其余带闪电图标的元件，直接继承(extends)Modelica代码到元件当中，形成故障元件。
步骤四：故障提取。机电系统的故障元件形成如图2示意的故障模型树，提取机电系统的故障元件信息到统一界面。其中，参数类型故障的故障元件信息统一界面，如图4。变量类型故障的故障元件信息统一界面，如图5。
步骤五：故障注入。实现更改Modelica模型元件的参数。
其中，参数类型故障的注入，在图4参数类型统一界面修改实现；变量类型故障的注入，在图5变量类型统一界面修改实现。

Claims (10)

1.一种基于Modelica模型的故障管理方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：故障分析
针对具体的机电系统Modelica模型，分析其常见故障，及其产生故障的原因，得出机电系统的可能故障项，其作法如下：
a)将Modelica模型按照“系统模型——子系统模型——部件模型”逐级分解；
b)各级部件模块的输入均为机电系统的可能故障原因；
c)根据实际需求，从可能故障原因中，选取其为机电系统故障项；
步骤二：故障分类
通过归纳故障类型和Modelica数据类型，建立Modelica标准化故障管理包；其中Modelica标准化故障管理包，由故障类型和Modelica数据类型定义而成；
步骤三：故障建模
针对故障分析得到的可能故障项，根据故障分析、故障分类，利用Modelica标准化故障管理包，建立相应故障元件；为便于故障元件柔性化建模，灵活采用文本式建模和图形式建模两种方式；
步骤四：故障提取
分析Modelica元件故障模型树，带闪电图为故障元件，检索元件中是否包含Modelica标准化故障管理包定义的数据，提取机电系统的故障元件信息到统一界面；
步骤五：故障注入
实现更改Modelica模型中故障元件的参数，包括有参数类型故障注入和变量类型故障注入；
通过以上步骤，实现了基于Modelica模型的故障管理，具有故障元件柔性化建模，统一的故障管理界面，采用了统一的故障注入方式，便于后续故障管理相关搜寻方法的应用。
2.根据权利要求1所述的一种基于Modelica模型的故障管理方法，其特征在于：
在步骤二中所述的“故障类型”，分为参数类型故障和变量类型故障；
参数类型故障，是指相对于整个系统的仿真时间而言，期间参数数值不变及变化很小的故障类型；参数类型故障，在仿真开始前指定，整个仿真过程中，参数值不发生变化；常见的参数类型故障有：1)齿轮副间隙；2)电阻及电容值；3)传动系统中的滑油粘度；由于参数类型故障具有的固有物理属性，在整个仿真过程中几乎不发生变化，故无需仿真参数类型故障的动态属性；
变量类型故障，是指在整个系统的仿真过程中，变量值发生明显变化的故障类型，在仿真过程中这些量发生变化，反映系统的动态属性；常见的变量类型故障有：1)半导体元件的短路电流；2)液压油管路的泄露；3)齿箱齿轮的磨损；由于变量类型故障，在仿真过程中发生变化，反映系统的动态属性，故需仿真变量类型故障的动态属性。
3.根据权利要求1所述的一种基于Modelica模型的故障管理方法，其特征在于：
在步骤二中所述的“Modelica数据类型”分为：1)布尔型即Boolean数据，可用来表示布尔型的Modelica故障，该类型故障只有两种离散的故障状态，如电缆的断开故障；2)整数型即Integer数据，用来表示整数型的Modelica故障，该类型故障有复数种并联的故障状态，如半导体元件的可能工作状态：(a)正常运行；(b)短路状态；(c)开路状态；3)实数型即Real数据，可用来表示实数型的Modelica故障，该类型故障采用连续变化的不同实数值来表示，如：(a)滑油粘度；(b)轴承摩擦力；(c)电容容量。
4.根据权利要求1所述的一种基于Modelica模型的故障管理方法，其特征在于：
在步骤二中所述的“Modelica标准化故障管理包”，由故障类型和Modelica数据类型定义而成，其故障数据类型共有六种；该Modelica标准化故障管理包中的故障数据类型采取统一的命名方式，便于后续的故障提取提供方便；如参数型_实数_故障命名为Parameter_Fault_Real；变量型_实数_故障命名为Variable_Fault_Real，依次类推，定义其余故障；
参数型_实数_故障即Parameter_Fault_Real的Modelica代码，定义如下：
type Parameter_Fault_Real＝Real"Value of the Real Fault"；
变量型_实数_故障即Variable_Fault_Real的Modelica代码，定义如下：
record Variable_Fault_Real"External Fault Triggeringparameters"
Boolean externalFaultOn＝false"External fault controlling(true＝global)"；
Integer faultIndex＝1"External fault index"；
Integer faultMode＝1"Optional fault mode for model reconfiguration"；
end Variable_Fault_Real；
变量类型故障相对于参数类型故障，采用了额外参数进行故障定义，如下：
1)externalFaultOn，用来设置该变量类型故障，是采用内部的默认变量还是采用外部的全局变量为其故障注入方式；
2)faultIndex，为全局外部变量编号，明确该变量类型故障属于第几个全局外部变量；
3)faultMode，用来设置该变量类型故障的不同故障状态。
5.根据权利要求1所述的一种基于Modelica模型的故障管理方法，其特征在于：
在步骤三中所述的“文本式建模方式”，是根据元件的建模需求，直接继承即extends的Modelica代码到元件当中，形成故障元件；以参数型_实数_故障即Parameter_Fault_Real为例，文本式建模方式的Modelica代码如下：
block InternalConstantRealFault
"Generate constant Fault of type Real"
extends FaultTriggering.Utilities.Icons.RealFault；
parameter FaultTriggering.Utilities.Types.Parameter_Fault_Real
constRealFault＝1"Constant output value"；
end InternalConstantRealFault。
6.根据权利要求1所述的一种基于Modelica模型的故障管理方法，其特征在于：
在步骤三中所述的“图形式建模方式”，首先分别继承文本式建模方式的Modelica代码(extends FaultTriggering.FaultOutput.Internal.InternalConstantRealFault)和Modelica标准库的标准输出(extends Modelica.Blocks.Interfaces.SO)；然后根据元件的故障输入，在Modelica图形式建模界面，直接拖拽图形式故障图标作为输入和元件连接，两者连接组成故障元件；以参数型_实数_故障即Parameter_Fault_Real为例，图形式建模方式的Modelica代码如下：
7.根据权利要求1所述的一种基于Modelica模型的故障管理方法，其特征在于：
在步骤三中所述的“文本式建模方式和图形式建模方式”，不仅适用于参数类型故障建模，而且适用于变量类型故障建模；变量类型故障元件建模，涉及到全局变量的选取问题；
为全局外部变量编号，解决全局变量的选取问题，将全局变量集中定义在FaultTrigger模型中，Partial_Fault Tirgger模型的Modelica代码如下：
在Partial_Fault Tirgger模型，针对变量类型故障的选取问题：以变量型_实数_故障即Variable_Fault_Real为例，通过定义参数realFaultSize和定义实数型变量数组realFault[realFaultSize]实现；整型即integer和布尔型即Boolean采用类似的方式实现。
8.根据权利要求1所述的一种基于Modelica模型的故障管理方法，其特征在于：
在步骤四中所述的“Modelica元件故障模型树”，是当有故障元件出现时，由于Modelica模型的层级组织方式形成的；所有的故障元件都以故障模型树的形式存在于Modelica模型库当中；该Modelica元件故障模型树生成步骤：
a)获取机电系统Modelica模型的元件总个数；
b)判断每个元件中是否包含Modelica标准化故障管理包中定义的数据，如果有，该元件则为故障元件；
c)获取故障元件的名称、参数变量、所属Modelica系统中的路径、前后元件结点信息；
d)依据Modelica模型的层级组织方式，生成系统对应的Modelica元件故障模型树。
9.根据权利要求1所述的一种基于Modelica模型的故障管理方法，其特征在于：
在步骤五中所述的“参数类型故障注入”，是指每个参数类型故障，都由模型中的一个参数定义，参数类型的故障元件信息在统一界面管理，通过修改参数，实现参数类型故障注入。
10.根据权利要求1所述的一种基于Modelica模型的故障管理方法，其特征在于：
在步骤五中所述的“变量类型故障注入”，首先在Modelica故障元件中采用Inner-Outter结构，然后设置externalFaultOn与FaultTrigger模型进行数据交互，如下Modelica代码段，最后在步骤四故障元件信息统一界面进行修改，实现变量类型故障注入；
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