CN107330265B - 液位传感器失效重构系统测量精度评估方法 - Google Patents

液位传感器失效重构系统测量精度评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及液位测量技术领域，具体提供了一种液位传感器失效重构系统测量精度评估方法，在多个液位传感器阵列组成的测量系统中，建立系统重构模型或者构建系统健康管理规则时，需要定量分析液位传感器故障模式下测量系统精度等级，因组合故障模式与变化参数多，量化分析非常繁琐，为了提高工作效率，将工程问题抽象成数学模型，推导传感器几何位置、油面倾角俯仰、滚转方向分量等参数之间的数学关系式，求解临界油面最大倾角，分割储箱中可测与不可测容积，量化评估重构后的系统测量误差，计算得到临界油面不能被有效传感器感知到的一侧储箱容积，并计算其占储箱总容积的百分比，即为该故障模式下系统降级后所能达到的最高精度。

Description

液位传感器失效重构系统测量精度评估方法
技术领域
本发明涉及液位测量技术领域，特别涉及液位传感器失效重构系统测量精度评估方法。
背景技术
航空、航天器、船舶、车辆运行过程中，为了降低油液受惯性力作用产生的额外误差，一般采用多个传感器阵列的测量系统架构。在油液测量系统设计过程中，建立系统重构模型或者构建系统健康管理(PHM)规则是系统功能设计的重要内容之一，为此定量分析液位传感器故障时测量系统精度等级是必不可少的工作，然而系统组合故障模式与变化参数多，量化分析非常繁琐，为了提高工作效率，采用计算机程序枚举遍历，存在计算结果数据量多、分析处理难度大的问题，针对性与灵活性差，难以真正全面有效地提高工作效率，亟待新的快速评估方法。
发明内容
为克服上述现有技术存在的至少一种缺陷，本发明提供了一种液位传感器失效重构系统测量精度评估方法，包括下列步骤：
步骤一，将传感器阵列投影到储箱的水平面内；
步骤二，针对当前失效模式故障工况，投影面内测量系统重构后，获取邻近失效传感器的有效传感连线的方位角θ，获取滚转方向最大补偿姿态角βmax，根据公式(1)计算油面与储箱水平面的最大夹角δmax：
Figure GDA0002418210240000021
根据公式(2)计算俯仰方向补偿姿态角αθ，
Figure GDA0002418210240000022
判断αθ是否大于俯仰方向最大补偿姿态角αmax，若αθ≤αmax则保留油面与储箱水平面的最大夹角δmax，否则：
Figure GDA0002418210240000023
步骤三，建立临界油面Pcritical，当系统中有效传感器数量不小于2个时，作经过测量系统重构后传感器底端/顶端连线L、倾角为δ的平面P，作为临界油面Pcritical，当系统中只有1个有效传感器时，作经过该传感器低端/顶端点、倾角为δ(θ)的平面族P(θ)，作为临界油面Pcritical；
步骤四，计算得到临界油面不能被有效传感器感知到的一侧储箱容积Vloss，通过公式(3)计算其占储箱总容积Vall的百分比ζ，即为该故障模式下系统降级后所能达到的最高精度ζ，
ζ=max(ζtop,ζbottom) (3)；
公式(3)中，
Figure GDA0002418210240000024
Figure GDA0002418210240000025
优选的，公式(1)及公式(2)通过如下方式得出：
步骤1：定义任一空间油面角均由水平油面经俯仰方向旋转α后，再经滚转方向旋转β后形成，抬头时α为正，逆时针旋转时β为正；
步骤2：定义线段OA为油面P的法向线段，长度为a，其中O为原点；
步骤3：定义线段OB、OC、OE分别为线段OA在xy平面、zy平面、xz平面内的投影，线段OD、OF分别为线段OE在xy平面、zy平面内的投影；
步骤4：线段OE与X轴夹角θ表示线段OA的方位角，线段OA与AE的夹角δ和油面P与xz平面夹角相等；
步骤5：在已知α和β取值范围和方位角θ的情况下，求倾角δmax最大的临界油面Pcritical，在CAD软件中以该油面切割储箱实体，获得不能被传感器测量到的一侧储箱容积Vloss，计算Vloss占储箱总容积Vall的比例，得到测量系统在此故障模式下的最大测量误差；
步骤6：已知线段OA长度为a，OB、OE分别是其投影，则OB长度为a*cosβ，OE长度为a*sinδ，线段DE与AB长度相等为a*sinβ，线段OD是OB的投影，长度为a*cosβ*sinα；
步骤7：方位角θ与线段OD、DE之间的关系表示为
Figure GDA0002418210240000031
油面倾角δ与线段OA、OE之间的关系表示为
Figure GDA0002418210240000032
由上述两个关系式可得
Figure GDA0002418210240000041
步骤8：由于
Figure GDA0002418210240000042
故sinδ最大时对应最大油面倾角δmax，方位角θ已知，故简化为求解关系式cosβ*sinα的最大值；
步骤9：将cosβ*sinα化简为
Figure GDA0002418210240000043
步骤10：由于
Figure GDA0002418210240000044
sinβ单调递增，最大值出现在βmax，由此可知
Figure GDA0002418210240000045
步骤11：计算出现最大油面倾角δmax时俯仰角α：
Figure GDA0002418210240000046
优选的，还包括步骤五，步骤五内容如下：
更新失效模式故障工况，重复执行步骤二至步骤四，直至完成所有失效模式组合分析，整理形成液位传感器失效导致测量系统降级后精度等级量化分析报告。
本发明提供的液位传感器失效重构系统测量精度评估方法，具有如下有益效果：
1、可以完整、全面、定量分析所有液位传感阵列失效的故障组合模式；
2、大大简化油液测量系统故障重构后的误差等级评估流程，使原本繁琐的计算过程变得简便、高效；
3、显著提高了评估操作的灵活性，可以迅速完成特定故障模式分析，结果直观易于理解，比枚举遍历方法更灵活。
附图说明
图1是临界油面倾角几何模型图；
图2是储箱液位传感器在水平面内投影图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
需要说明的是：下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，均仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种液位传感器失效重构系统测量精度评估方法，可以解决航空器、航天器、船舶、车辆的油液测量系统设计过程中难以灵活、高效量化降级系统的测量误差问题。
液位传感器失效重构系统测量精度评估方法的主要技术方案为：
如图1及图2所示，S1至S5分别为5个传感器，其中S2和S5为邻近的有效传感器，S4为失效传感器，C点为储箱形心，由多个液位传感器阵列组成的油液测量系统中，分析不同的传感器失效模式下测量系统的精度等级，是寻找排除失效传感器后重构形成的传感器阵列在所有补偿姿态范围内的最大测量误差问题，将此工程问题抽象成数学模型，建立如图1及图2所示的几何关系，图中油面由俯仰方向旋转α，再由滚转方向旋转β后形成，
Figure GDA0002418210240000061
α＞β；θ是临近失效传感器的有效传感器投影连线L25的方位角，用线段L25经过储箱形心C点的垂线与滚转轴的夹角表示，
Figure GDA0002418210240000062
δ表示出现最大测量误差时的临界油面与水平面的夹角，
Figure GDA0002418210240000063
量化传感器失效时测量系统的最大测量误差，即求解几何模型中θ角已知条件下，使δ值最大的临界油面，计算该油面不能被有效传感器测量到的一侧容积，以其占总容积的百分比作为测量系统此时的最大测量误差。
上述方法可推广到只有1个有效传感器时的故障工况，此时δ(θ)是以θ角为自变量的函数，
Figure GDA0002418210240000064
受有效传感器在储箱中位置差异影响，无法直接判断最大误差出现的方位角，通过比较不同的δ(θ)对应的各个方位最大测量误差，取其最大值确定测量系统在此故障模式下的最大测量误差。
液位传感器失效重构系统测量精度评估方法的具体实施步骤如下：
步骤一，将传感器阵列投影到储箱的水平面内；
步骤二，针对当前失效模式故障工况，投影面内测量系统重构后，获取邻近失效传感器的有效传感连线的方位角θ，获取滚转方向最大补偿姿态角βmax，根据公式(1)计算油面与储箱水平面的最大夹角δmax：
Figure GDA0002418210240000071
根据公式(2)计算俯仰方向补偿姿态角αθ，
Figure GDA0002418210240000072
判断αθ是否大于俯仰方向最大补偿姿态角αmax，若αθ≤αmax则保留油面与储箱水平面的最大夹角δmax，否则：
Figure GDA0002418210240000073
步骤三，在CAD软件中建立临界油面Pcritical，当系统中有效传感器数量不小于2个时，作经过测量系统重构后传感器底端/顶端连线L、倾角为δ的平面P，作为临界油面Pcritical，当系统中只有1个有效传感器时，作经过该传感器低端/顶端点、倾角为δ(θ)的平面族P(θ)，作为临界油面Pcritical；
步骤四，通过软件计算得到临界油面不能被有效传感器感知到的一侧储箱容积Vloss，通过公式(3)计算其占储箱总容积Vall的百分比ζ，即为该故障模式下系统降级后所能达到的最高精度ζ，
ζ=max(ζtop,ζbottom) (3)；
公式(3)中，
Figure GDA0002418210240000081
Figure GDA0002418210240000082
通过ζ评估系统测量精度。
在本实施例中，还包括步骤五，步骤五内容如下：
更新失效模式故障工况，重复执行步骤二至步骤四，直至完成所有失效模式组合分析，整理形成液位传感器失效导致测量系统降级后精度等级量化分析报告。
在本实施例中，公式(1)及公式(2)通过如下方式得出：
步骤1：定义任一空间油面角均由水平油面经俯仰方向旋转α后，再经滚转方向旋转β后形成，抬头时α为正，逆时针旋转时β为正；
步骤2：定义线段OA为油面P的法向线段，长度为a，其中O为原点；
步骤3：定义线段OB、OC、OE分别为线段OA在xy平面、zy平面、xz平面内的投影，线段OD、OF分别为线段OE在xy平面、zy平面内的投影；
步骤4：线段OE与X轴夹角θ表示线段OA的方位角，线段OA与AE的夹角δ和油面P与xz平面夹角相等；
步骤5：确定重构后传感器阵列的最大测量误差，即在已知α和β取值范围和方位角θ的情况下，求倾角δmax最大的临界油面Pcritical，在CAD软件中以该油面切割储箱实体，获得不能被传感器测量到的一侧储箱容积Vloss，计算Vloss占储箱总容积Vall的比例，得到测量系统在此故障模式下的最大测量误差；
步骤6：已知线段OA长度为a，OB、OE分别是其投影，则OB长度为a*cosβ，OE长度为a*sinδ，线段DE与AB长度相等为a*sinβ，线段OD是OB的投影，长度为a*cosβ*sinα；
步骤7：方位角θ与线段OD、DE之间的关系表示为
Figure GDA0002418210240000091
油面倾角δ与线段OA、OE之间的关系表示为
Figure GDA0002418210240000092
由上述两个关系式可得
Figure GDA0002418210240000093
步骤8：由于
Figure GDA0002418210240000094
故sinδ最大时对应最大油面倾角δmax，方位角θ已知，故简化为求解关系式cosβ*sinα的最大值；
步骤9：将cosβ*sinα化简为
Figure GDA0002418210240000095
步骤10：由于
Figure GDA0002418210240000096
sinβ单调递增，最大值出现在βmax，由此可知
Figure GDA0002418210240000097
步骤11：计算出现最大油面倾角δmax时俯仰角α：
Figure GDA0002418210240000098
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种液位传感器失效重构系统测量精度评估方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，将传感器阵列投影到储箱的水平面内；
步骤二，针对当前失效模式故障工况，投影面内测量系统重构后，获取邻近失效传感器的有效传感连线的方位角θ，获取滚转方向最大补偿姿态角βmax，根据公式(1)计算油面与储箱水平面的最大夹角δmax：
Figure FDA0002418210230000011
根据公式(2)计算俯仰方向补偿姿态角αθ，
Figure FDA0002418210230000012
判断αθ是否大于俯仰方向最大补偿姿态角αmax，若αθ≤αmax则保留油面与储箱水平面的最大夹角δmax，否则：
Figure FDA0002418210230000013
步骤三，建立临界油面Pcritical，当系统中有效传感器数量不小于2个时，作经过测量系统重构后传感器底端/顶端连线L、倾角为δ的平面P，作为临界油面Pcritical，当系统中只有1个有效传感器时，作经过该传感器低端/顶端点、倾角为δ(θ)的平面族P(θ)，作为临界油面Pcritical；
步骤四，计算得到临界油面不能被有效传感器感知到的一侧储箱容积Vloss，通过公式(3)计算其占储箱总容积Vall的百分比ζ，即为该故障模式下系统降级后所能达到的最高精度ζ，
ζ=max(ζtop,ζbottom) (3)；
公式(3)中，
Figure FDA0002418210230000021
Figure FDA0002418210230000022
2.根据权利要求1所述的液位传感器失效重构系统测量精度评估方法，其特征在于，公式(1)及公式(2)通过如下方式得出：
步骤1：定义任一空间油面角均由水平油面经俯仰方向旋转α后，再经滚转方向旋转β后形成，抬头时α为正，逆时针旋转时β为正；
步骤2：定义线段OA为油面P的法向线段，长度为a，其中O为原点；
步骤3：定义线段OB、OC、OE分别为线段OA在xy平面、zy平面、xz平面内的投影，线段OD、OF分别为线段OE在xy平面、zy平面内的投影；
步骤4：线段OE与X轴夹角θ表示线段OA的方位角，线段OA与AE的夹角δ和油面P与xz平面夹角相等；
步骤5：在已知α和β取值范围和方位角θ的情况下，求倾角δmax最大的临界油面Pcritical，在CAD软件中以该油面切割储箱实体，获得不能被传感器测量到的一侧储箱容积Vloss，计算Vloss占储箱总容积Vall的比例，得到测量系统在此故障模式下的最大测量误差；
步骤6：已知线段OA长度为a，OB、OE分别是其投影，则OB长度为a*cosβ，OE长度为a*sinδ，线段DE与AB长度相等为a*sinβ，线段OD是OB的投影，长度为a*cosβ*sinα；
步骤7：方位角θ与线段OD、DE之间的关系表示为
Figure FDA0002418210230000031
油面倾角δ与线段OA、OE之间的关系表示为
Figure FDA0002418210230000032
由上述两个关系式可得
Figure FDA0002418210230000033
步骤8：由于
Figure FDA0002418210230000034
故sinδ最大时对应最大油面倾角δmax，方位角θ已知，故简化为求解关系式cosβ*sinα的最大值；
步骤9：将cosβ*sinα化简为
Figure FDA0002418210230000035
步骤10：由于
Figure FDA0002418210230000036
sinβ单调递增，最大值出现在βmax，由此可知
Figure FDA0002418210230000037
步骤11：计算出现最大油面倾角δmax时俯仰角α：
Figure FDA0002418210230000038
3.根据权利要求1所述的液位传感器失效重构系统测量精度评估方法，其特征在于，还包括步骤五，步骤五内容如下：
更新失效模式故障工况，重复执行步骤二至步骤四，直至完成所有失效模式组合分析，整理形成液位传感器失效导致测量系统降级后精度等级量化分析报告。
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