CN110045711A - 基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种航天卫星技术领域的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法，所述方法包括如下步骤：(1)分析双超平台多个磁浮机构的布局方式；(2)建立分配矩阵P的数学表达式；(3)建立2个磁浮机构同时故障时的知识诊断库，判定双超平台控制系统在2个磁浮机构同时故障的情况下能否安全运行；(4)判断3个及3个以上磁浮机构同时发生故障时的系统安全运行情况；(5)计算多个磁浮机构故障模式下分配矩阵P的秩，分析P的秩和控制系统安全性之间的关联和规律；(6)根据P的秩的数值，判断双超平台控制系统能否继续安全运行。本发明解决了基于数值计算的多个磁浮机构发生故障时的判别方法，能指导双超平台的高可靠性设计。

Description

基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法
技术领域
本发明涉及航天卫星技术领域，具体地，涉及基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障的判别方法。
背景技术
双超平台对姿态精度和稳定度提出了极高的要求，然而其配置了八个高精度高带宽的关键部件磁浮机构，磁浮机构基于电磁原理设计，具有高精密的特点，当多个磁浮机构同时发生故障，会极大地影响在轨任务，因此需要对多故障情况进行分析，从而及时提出预警，为保障平台安全运行提供指导。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障的判别方法，可以给出双超多个磁浮机构故障的判断方法，解决双超平台的可靠性控制和预警问题，指导双超的工程优化设计。
本发明涉及一种基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法，包括如下步骤：
步骤1：根据安装布局方式，把双超平台的八个磁浮机构进行归类和分组；
步骤2：建立每个磁浮机构输出力和控制变量之间对应关系的数学模型，写出分配矩阵P；
步骤3：建立2个磁浮机构同时故障时的知识诊断库，判定双超平台控制系统在2个磁浮机构同时故障的情况下能否安全运行；
步骤4：判断3个及3个以上磁浮机构同时发生故障时的系统安全运行情况；
步骤5：计算多个磁浮机构故障模式下分配矩阵P的秩，分析P的秩和控制系统安全性之间的关联和规律；
步骤6：根据P的秩的数值，判断双超平台控制系统能否继续安全运行。
优选地，所述步骤1的归类分组方法为，双超平台的磁浮机构共有8个，按照两两垂直正交的方式安装，其中4个磁浮机构为垂直安装，输出的力在Z轴方向，分别标记为A1，A2，A3，A4，记为A组磁浮机构；另外4个磁浮机构为横向安装，输出的力在X轴或Y轴方向，分别标记为B1，B2，B3，B4，记为B组磁浮机构。
优选地，所述磁浮机构安装的X、Y、Z轴均定义在双超平台本体坐标系下。
优选地，所述步骤2包括：
步骤2.1：8个磁浮机构输出的力分别记为FA1,FA2,FA3,FA4,FB1,FB2,FB3,FB4；
步骤2.2：磁浮机构产生的力的合力用于控制载荷舱和平台舱之间的相对位置，对称安装的磁浮机构产生的合力矩用于控制载荷舱的X、Y、Z三轴姿态；
步骤2.3：根据8个磁浮机构的安装位置，写出如下关系式：
其中，Fx为载荷舱和平台舱两舱之间X方向的控制力，Fy为两舱间Y方向的控制力，Fz为两舱间Z方向的控制力，Tx为绕载荷舱的X轴的控制力矩，Ty为绕载荷舱(1)的Y轴的控制力矩，Tz为绕载荷舱的Z轴的控制力矩，L1为Y方向的平台长度，L2为X方向的平台长度，L3为两舱相对距离；
步骤2.4：写出分配矩阵P的表达式：
其中，L，L1，L2的定义同步骤2.3中的定义。
优选地，建立8个磁浮机构和控制变量的对应关系：
X方向控制力：由B2，B4共同控制；
Y方向控制力：由B1，B3共同控制；
Z方向控制力：由A1，A2，A3，A4共同控制；
载荷舱X轴控制力矩：由A1，A2，A3，A4，B1，B3共同控制；
载荷舱Y轴控制力矩：由A1，A2，A3，A4，B2，B4共同控制；
载荷舱Z轴控制力矩：由B1，B2，B3，B4共同控制。
优选地，所述步骤3包括：
步骤3.1：写出2个磁浮机构同时发生故障时系统的故障诊断知识库，
其中，√表明正常，×表明故障失效，A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4和Fx， Fy，Fz，Tx，Ty，Tz的定义同前所述；
步骤3.2：根据故障诊断库，2个磁浮机构故障分为3种情况：
A组磁浮机构故障失效2个，B组完好，系统不能正常运行；
B组磁浮机构故障失效2个，A组完好，系统不能正常运行；
A组磁浮机构故障失效1个，B组磁浮机构故障失效1个，系统能正常运行。
优选地，所述磁浮机构发生的故障，为电流发生的故障，磁浮机构数学模型为
F＝BIL
其中，F为磁浮机构输出的力，B为磁场强度，I为通电电流，L为线圈有效长度。由于空间永久磁场B为稳定源，线圈有效长度L也为常数，因此，本文认为故障发生情况为电流I断路故障，即发生故障时，F＝0。
优选地，所述步骤4包括：
步骤4.1：3个磁浮机构同时发生故障，则A组磁浮机构和B组磁浮机构中至少有一组有2个磁浮机构发生故障，系统不能正常运行；
步骤4.2：根据类推原则，3个以上磁浮机构发生故障时，控制系统不能正常运行。
优选地，所述步骤5包括：
步骤5.1：A组一个故障加B组一个故障共2个故障时，系统能够安全运行，同时计算得到rank(P)＝6；
步骤5.2：A组2个故障，不能安全运行，同时计算得到rank(P)＝5；
步骤5.3：B组2个故障，不能安全运行，同时计算得到rank(P)＝5；
步骤5.4：3个及3个以上故障，不能安全运行，同时计算得到rank(P)≤＝5。
优选地，所述步骤6包括：
步骤6.1：rank(P)＝6，则系统能够安全运行；
步骤6.2：rank(P)≤5，系统不能安全运行。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障的判别方法解决了基于数值计算的多个磁浮机构发生故障时的判别方法，能够指导双超平台的高可靠性设计；
2、本发明的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障的判别方法可以对双超平台的多个磁浮机构的故障情况进行判断，尽早进行预警和采取补救措施，使得卫星在轨性能得到保障；
3、本发明的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障的判别方法基于矩阵秩进行故障判断，仅需软件计算与更新，不需增加硬件，成本低。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明提供的双超平台结构示意图；
图2为本文多磁浮机构故障的判别流程。
其中，1、载荷舱，2、平台舱，3、磁浮机构线圈端，4、磁浮机构磁铁端。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例中，本发明的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障的判别方法介绍如下：
步骤1：根据安装方式，把双超平台的多个磁浮机构进行归类和分组；
步骤2：建立磁浮机构输出力与磁浮机构控制的系统变量之间的对应关系的数学模型，写出分配矩阵P；
步骤3：建立2个磁浮机构同时故障时的知识诊断库，判定双超在2个磁浮机构同时故障的情况下能否安全运行；
步骤4：判断3个及3个以上磁浮机构同时发生故障时的系统运行情况；
步骤5：计算多个磁浮机构故障模式下分配矩阵P的秩；
步骤6：根据P的秩的值，判断双超平台控制系统能否继续运行。
接下来对本发明进行详细的描述。
涉及双超平台多个磁浮机构同时发生故障时的系统安全性判别方法，首先分析双超平台多个磁浮机构的布局方式，建立分配矩阵P的数学表达式，然后分别建立了2个和3个以上磁浮机构发生故障时的故障诊断知识库，利用矩阵P的秩可以直观地判断双超平台控制系统的安全稳定运行情况。本发明的目的是提供一种基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障的判别方法，可以给出双超多个磁浮机构故障的判断方法，解决双超平台的可靠性控制和预警问题，指导双超的工程优化设计。
图1是本发明双超平台结构示意图，图2是多个磁浮机构故障的判别流程；如图2的实施例所示，该流程包括：
步骤1：根据安装方式，把双超平台的多个磁浮机构进行归类和分组；
步骤2：建立磁浮机构3输出力与磁浮机构控制的系统变量之间的对应关系的数学模型，写出分配矩阵P；
步骤3：建立2个磁浮机构同时故障时的知识诊断库，判定双超在2个磁浮机构同时故障的情况下能否安全运行；
步骤4：判断3个及3个以上磁浮机构同时发生故障时的系统运行情况；
步骤5：计算多个磁浮机构故障模式下分配矩阵P的秩；
步骤6：根据P的秩的值，判断双超平台控制系统能否继续运行；
具体地，双超平台的磁浮机构共有8个，按照两两垂直正交的方式安装，其中4个磁浮机构为垂直安装，输出的力在Z方向，分别标记为A1，A2，A3，A4，记为A组磁浮机构；另外4个磁浮机构为横向安装，输出的力在X或Y方向，分别标记为B1，B2， B3，B4，记为B组磁浮机构；
具体地，步骤2包括，
步骤2.1：8个磁浮机构输出的力分别记为FA1,FA2,FA3,FA4,FB1,FB2,FB3,FB4；
步骤2.2：磁浮机构产生的力的合力用于控制载荷舱1和平台舱2之间的相对位置，对称安装的磁浮机构产生的合力矩用于控制载荷舱1的X、Y、Z三轴姿态；
步骤2.3：根据8个磁浮机构的安装位置，写出如下关系式：
其中，Fx为载荷舱1和平台舱2两舱之间X方向的控制力，Fy为两舱间Y方向的控制力，Fz为两舱间Z方向的控制力，Tx为绕载荷舱1的X轴的控制力矩，Ty为绕载荷舱1的Y轴的控制力矩，Tz为绕载荷舱1的Z轴的控制力矩，L1为Y方向的平台长度， L2为X方向的平台长度，L3为两舱相对距离。
步骤2.4：写出分配矩阵P的表达式：
其中，L，L1，L2的定义同步骤2.3中的定义。
具体地，建立8个磁浮机构和控制力以及力矩的对应关系：
X方向控制力：由B2，B4共同控制；
Y方向控制力：由B1，B3共同控制；
Z方向控制力：由A1，A2，A3，A4共同控制；
载荷舱X轴控制力矩：由A1，A2，A3，A4，B1，B3共同控制；
载荷舱Y轴控制力矩：由A1，A2，A3，A4，B2，B4共同控制；
载荷舱Z轴控制力矩：由B1，B2，B3，B4共同控制。
具体地，步骤3包括：
步骤3.1：写出2个磁浮机构同时发生故障时系统的故障诊断知识库
其中，√表明正常，×表明故障失效，A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4和Fx，Fy，Fz， Tx，Ty，Tz的定义同前所述。
步骤3.2：根据故障诊断库，2个磁浮机构故障分为3种情况：
A组磁浮机构故障失效2个，B组完好，系统不能正常运行；
B组磁浮机构故障失效2个，A组完好，系统不能正常运行；
A组磁浮机构故障失效1个，B组磁浮机构故障失效1个，系统能正常运行。
具体地，所述磁浮机构安装的X、Y、Z轴均定义在本体坐标系下。
具体地，步骤4包括：
步骤4.1：3个磁浮机构同时发生故障，则A组磁浮机构和B组磁浮机构中至少有一组有2个磁浮机构发生故障，再根据权利要求6中步骤3.2的方法，系统不能正常运行；
步骤4.2：根据类推原则，3个以上磁浮机构发生故障时，控制系统不能正常运行。
具体地，步骤5包括：
步骤5.1：A组一个故障加B组一个故障共2个故障时，系统能够安全运行，同时计算得到rank(P)＝6；
步骤5.2：A组2个故障，不能安全运行，同时计算得到rank(P)＝5；
步骤5.3：B组2个故障，不能安全运行，同时计算得到rank(P)＝5；
步骤5.4：3个及3个以上故障，不能安全运行，同时计算得到rank(P)≤＝5，其中≤是数学符号，表示小于或等于。
具体地，步骤6包括：通过数值计算方法，计算分配矩阵P的秩序，可以快速地判断当多个磁浮机构发生故障时，系统是否能安全运行；
步骤6.1：rank(P)＝6，则系统能够安全运行；
步骤6.2：rank(P)≤5，系统不能安全运行。
综上所述，本发明的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障的判别方法解决了基于数值计算的多个磁浮机构发生故障时的判别方法，能够指导双超平台的高可靠性设计；本发明的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障的判别方法可以对双超平台的多个磁浮机构的故障情况进行判断，尽早进行预警和采取补救措施，使得卫星在轨性能得到保障；本发明的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障的判别方法基于矩阵秩进行故障判断，仅需软件计算与更新，不需增加硬件，成本低。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法，其特征在于，包括如下步骤；
步骤1：根据安装布局方式，把双超平台的八个磁浮机构进行归类和分组；
步骤2：建立每个磁浮机构输出力和控制变量之间对应关系的数学模型，写出分配矩阵P；
步骤3：建立2个磁浮机构同时故障时的知识诊断库，判定双超平台控制系统在2个磁浮机构同时故障的情况下能否安全运行；
步骤4：判断3个及3个以上磁浮机构同时发生故障时的系统安全运行情况；
步骤5：计算多个磁浮机构故障模式下分配矩阵P的秩，分析P的秩和控制系统安全性之间的关联和规律；
步骤6：根据P的秩的数值，判断双超平台控制系统能否继续安全运行。
2.如权利要求1所述的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法，其特征是，所述步骤1的归类分组方法为，双超平台的磁浮机构共有8个，按照两两垂直正交的方式安装，其中4个磁浮机构为垂直安装，输出的力在Z轴方向，分别标记为A1，A2，A3，A4，记为A组磁浮机构；另外4个磁浮机构为横向安装，输出的力在X轴或Y轴方向，分别标记为B1，B2，B3，B4，记为B组磁浮机构。
3.如权利要求2所述的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法，其特征是，所述磁浮机构安装的X、Y、Z轴均定义在双超平台本体坐标系下。
4.如权利要求1所述的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法，其特征是，所述步骤2包括，
步骤2.1：8个磁浮机构输出的力分别记为FA1,FA2,FA3,FA4,FB1,FB2,FB3,FB4；
步骤2.2：磁浮机构产生的力的合力用于控制载荷舱和平台舱之间的相对位置，对称安装的磁浮机构产生的合力矩用于控制载荷舱的X、Y、Z三轴姿态；
步骤2.3：根据8个磁浮机构的安装位置，写出如下关系式：
其中，Fx为载荷舱和平台舱两舱之间X方向的控制力，Fy为两舱间Y方向的控制力，Fz为两舱间Z方向的控制力，Tx为绕载荷舱的X轴的控制力矩，Ty为绕载荷舱(1)的Y轴的控制力矩，Tz为绕载荷舱的Z轴的控制力矩，L1为Y方向的平台长度，L2为X方向的平台长度，L3为两舱相对距离；
步骤2.4：写出分配矩阵P的表达式：
其中，L1，L2 L3，的定义同步骤2.3中的定义。
5.如权利要求4所述的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法，其特征是，建立8个磁浮机构和控制变量的对应关系：
X方向控制力：由B2，B4共同控制；
Y方向控制力：由B1，B3共同控制；
Z方向控制力：由A1，A2，A3，A4共同控制；
载荷舱X轴控制力矩：由A1，A2，A3，A4，B1，B3共同控制；
载荷舱Y轴控制力矩：由A1，A2，A3，A4，B2，B4共同控制；
载荷舱Z轴控制力矩：由B1，B2，B3，B4共同控制。
6.如权利要求1所述的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法，其特征是，所述步骤3包括：
步骤3.1：写出2个磁浮机构同时发生故障时系统的故障诊断知识库；
步骤3.2：根据故障诊断库，2个磁浮机构故障分为3种情况：
A组磁浮机构故障失效2个，B组完好，系统不能正常运行；
B组磁浮机构故障失效2个，A组完好，系统不能正常运行；
A组磁浮机构故障失效1个，B组磁浮机构故障失效1个，系统能正常运行。
7.如权利要求6所述的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法，其特征是，所述磁浮机构发生的故障，为电流发生的故障，磁浮机构数学模型为
F＝BIL
其中，F为磁浮机构输出的力，B为磁场强度，I为通电电流，L为线圈有效长度。
8.如权利要求1所述的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法，其特征是，所述步骤4包括：
步骤4.1：3个磁浮机构同时发生故障，则A组磁浮机构和B组磁浮机构中至少有一组有2个磁浮机构发生故障，系统不能正常运行；
步骤4.2：根据类推原则，3个以上磁浮机构发生故障时，控制系统不能正常运行。
9.如权利要求1所述的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法，其特征是，所述步骤5包括：
步骤5.1：A组一个故障加B组一个故障共2个故障时，系统能够安全运行，同时计算得到rank(P)＝6；
步骤5.2：A组2个故障，不能安全运行，同时计算得到rank(P)＝5；
步骤5.3：B组2个故障，不能安全运行，同时计算得到rank(P)＝5；
步骤5.4：3个及3个以上故障，不能安全运行，同时计算得到rank(P)≤＝5。
10.如权利要求1所述的基于矩阵秩的双超平台多个磁浮机构故障判别方法，其特征是，所述步骤6包括：
步骤6.1：rank(P)＝6，则系统能够安全运行；
步骤6.2：rank(P)≤5，系统不能安全运行。
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