CN111412927B - 一种基于零空间的cmg群故障诊断方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种基于零空间的CMG群故障诊断方法，包括步骤如下：步骤一、根据CMG框架角测量值，构建故障诊断零空间；步骤二、根据CMG框架角速度测量值，构建故障诊断残差，判断CMG是否发生故障；步骤三、判断残差与零空间中各向量的夹角余弦A_Cos,i，进行单故障情况下的故障定位；当A_Cos,i满足A_Cos,i>A_Cos,th时，则认为第i个CMG发生故障，否则执行步骤四；i＝1,2,…,N，A_Cos,th为设定的阈值；步骤四、通过分组判断，进行多故障情况下的故障定位与验证。本发明充分考虑了CMG框架角引起的安装矩阵的时变特性，克服了CMG难以通过判断故障向量方向实现故障定位的问题。

Description

一种基于零空间的CMG群故障诊断方法和系统

技术领域

本发明涉及一种CMG群故障诊断方法和系统。

背景技术

控制力矩陀螺(CMG)作为卫星姿控系统执行部件，具有较快的动态响应能力和较高的控制效率，能够比其它类型飞轮提供较大的控制力矩，是长寿命、重型航天器理想的执行机构。由于CMG带有高速旋转的转子和框架转动部件，因此较易产生故障，此时若不能及时检测并排除故障，将引起航天器的姿态失控，造成重大经济损失。

目前，CMG故障诊断主要通过判断每个CMG的理论框架角变化量与实际框架角变化量的差异以及高速转子实际转速与标称转速的差异来实现，仅仅利用了自身的信息，当故障幅值较小时，很难快速检测到故障发生。由于每个CMG的力矩控制信号是按照每一时刻的结构位置对三轴所需控制力矩进行分配而得到的，因此本发明利用所有CMG输出(框架角速度)之间的一致性进行故障诊断，并根据一定的逻辑判断实现CMG两重故障下的诊断。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于零空间的CMG群故障诊断方法和系统，给出基于CMG框架角速度的残差设计方法，在此基础上通过计算零空间各列与残差的方向余弦，结合相应的判断逻辑实现CMG单故障和双重故障下的诊断。

本发明所采用的技术方案是：一种基于零空间的CMG群故障诊断方法，包括步骤如下：

步骤一、根据CMG框架角测量值，构建故障诊断零空间；

步骤二、根据CMG框架角速度测量值，构建故障诊断残差，判断CMG是否发生故障；

步骤三、判断残差与零空间中各向量的夹角余弦A_Cos,i，进行单故障情况下的故障定位；当A_Cos,i满足A_Cos,i>A_Cos,th时，则认为第i个CMG发生故障，否则执行步骤四；i＝1,2,…,N，A_Cos,th为设定的阈值；

步骤四、通过分组判断，进行多故障情况下的故障定位与验证。

步骤一中，根据下式计算故障诊断零空间V：

V＝I_N×N-Jacob^T(Jacob·Jacob^T)^-1Jacob，

其中，Jacob＝A_CMGcosδ_CMG-B_CMGsinδ_CMG，cosδ_CMG＝diag{cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN}，sinδ_CMG＝diag{sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN}，δ_CMG＝[δ_CMG1,…,δ_CMGN]^T为CMG的框架角测量值；A_CMG为所有CMG的框架角为90度时，CMG角动量单位矢量方向在卫星本体的矩阵；B_CMG为所有CMG的框架角为0度时，CMG角动量单位矢量方向在卫星本体的矩阵；N表示CMG个数；diag{sinδ_CMG1 …sinδ_CMGN}表示以sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN为对角线元素的对角阵；diag{cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN}表示以cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN为对角线元素的对角阵。

步骤二中，根据下式计算故障诊断残差R_e：

R_e＝Vy；

其中，y∈R^N为CMG的框架角速度测量值。

步骤二中，CMG是否发生故障的判断条件为：当R_e满足R_e>R_th时，则认为CMG发生故障；R_th为设定的阈值。

步骤三中，当步骤二判断有故障发生后，对于V中的每个列向量V_i，逐个执行下列操作：

其中，dot()表示点乘运算，norm()表示求模运算。

步骤四的具体方法为：

从CMG群中删除任意n个CMG，n＝2,3,...,N-4，重复步骤二，若无故障发生，则删除的n个CMG即为发生故障CMG，否则，n＝n+1，重复执行步骤四；当N-n<4时，仍然没有找到故障CMG，则方法结束。

一种基于零空间的CMG群故障诊断系统，包括：

第一模块、用于根据CMG框架角测量值，构建故障诊断零空间；

第二模块、用于根据CMG框架角速度测量值，构建故障诊断残差，判断CMG是否发生故障；

第三模块、用于判断残差与零空间中各向量的夹角余弦A_Cos,i，进行单故障情况下的故障定位；当A_Cos,i满足A_Cos,i>A_Cos,th时，则认为第i个CMG发生故障，否则，通过分组判断，进行多故障情况下的故障定位与验证；

i＝1,2,…,N，A_Cos,th为设定的阈值。

故障诊断零空间V：

V＝I_N×N-Jacob^T(Jacob·Jacob^T)^-1Jacob，

其中，Jacob＝A_CMGcosδ_CMG-B_CMGsinδ_CMG，cosδ_CMG＝diag{cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN}，sinδ_CMG＝diag{sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN}，δ_CMG＝[δ_CMG1,…,δ_CMGN]^T为CMG的框架角测量值；A_CMG为所有CMG的框架角为90度时，CMG角动量单位矢量方向在卫星本体的矩阵；B_CMG为所有CMG的框架角为0度时，CMG角动量单位矢量方向在卫星本体的矩阵；N表示CMG个数；diag{sinδ_CMG1 …sinδ_CMGN}表示以sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN为对角线元素的对角阵；diag{cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN}表示以cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN为对角线元素的对角阵。

故障诊断残差R_e：

R_e＝Vy；

其中，y∈R^N为CMG的框架角速度测量值；

CMG是否发生故障的判断条件为：当R_e满足R_e>R_th时，则认为CMG发生故障；R_th为设定的阈值。

对于V中的每个列向量V_i：

其中，dot()表示点乘运算，norm()表示求模运算。

第三模块中，通过分组判断，进行多故障情况下的故障定位与验证的具体方法为：

从CMG群中删除任意n个CMG，根据CMG框架角速度测量值，构建故障诊断残差，判断CMG是否发生故障，若无故障发生，则删除的n个CMG即为发生故障CMG，否则，n＝n+1，重复进行分组判断；当N-n<4时，仍然没有找到故障CMG，则方法结束；

n＝2,3,...,N-4。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明充分考虑了CMG框架角引起的安装矩阵的时变特性，克服了CMG难以通过判断故障向量方向实现故障定位的问题。

(2)本发明还引入了故障诊断结果的验证机制，提高了故障诊断的准确率。

(3)本发明通过融合多个CMG的信息实现故障诊断，克服了目前仅利用单个CMG信息进行故障诊断存在的准确率低的问题，而且方法简单、明确，适于工程设计。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1

一种基于零空间的CMG群故障诊断方法，包括步骤如下：

步骤一、根据CMG框架角测量值，构建故障诊断零空间。

根据下列公式计算故障诊断零空间V：

V＝I_N×N-Jacob^T(Jacob·Jacob^T)^-1Jacob (1)

其中，Jacob＝A_CMGcosδ_CMG-B_CMGsinδ_CMG，cosδ_CMG＝diag{cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN}，sinδ_CMG＝diag{sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN}，δ_CMG＝[δ_CMG1,…,δ_CMGN]^T为CMG的框架角测量值；A_CMG为所有CMG的框架角为90度时，CMG角动量单位矢量方向在卫星本体的矩阵；B_CMG为所有CMG的框架角为0度时，CMG角动量单位矢量方向在卫星本体的矩阵；N表示CMG个数；diag{sinδ_CMG1 …sinδ_CMGN}表示以sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN为对角线元素的对角阵；diag{cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN}表示以cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN为对角线元素的对角阵；

步骤二、根据CMG框架角速度测量值，构建故障诊断残差，判断CMG是否发生故障；

根据下列公式计算故障诊断残差R_e：

R_e＝Vy (2)

其中，y∈R^N为CMG的框架角速度测量值。

当R_e满足R_e>R_th时，则认为CMG发生故障；R_th为设定的阈值。

步骤三、判断残差与零空间中各向量的夹角余弦A_Cos,i，进行单故障情况下的故障定位。

当步骤二判断有故障发生后，对于V中的每个列向量V_i，逐个执行下列操作：

当A_Cos,i满足A_Cos,i>A_Cos,th时，则认为第i个CMG发生故障，否则执行步骤四；其中，i＝1,2,…,N，A_Cos,th为设定的阈值，dot()表示点乘运算，norm()表示求模运算；

步骤四、通过分组判断的方式，进行多故障情况下的故障定位与验证；

从CMG群中删除任意n个CMG(n＝2,3,...,N-4)，即删除V中对应的列和y中对应的行，重复步骤二，若无故障发生，则此时删除的n个CMG即为发生故障CMG，否则，n＝n+1，重复执行步骤四。当N-n<4时，仍然没有找到故障CMG，则退出该方法。

一种基于零空间的CMG群故障诊断系统，包括：

第一模块、用于根据CMG框架角测量值，构建故障诊断零空间；

第二模块、用于根据CMG框架角速度测量值，构建故障诊断残差，判断CMG是否发生故障；

第三模块、用于判断残差与零空间中各向量的夹角余弦A_Cos,i，进行单故障情况下的故障定位；当A_Cos,i满足A_Cos,i>A_Cos,th时，则认为第i个CMG发生故障，否则，通过分组判断，进行多故障情况下的故障定位与验证；

i＝1,2,…,N，A_Cos,th为设定的阈值。

故障诊断零空间V：

V＝I_N×N-Jacob^T(Jacob·Jacob^T)^-1Jacob，

其中，Jacob＝A_CMGcosδ_CMG-B_CMGsinδ_CMG，cosδ_CMG＝diag{cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN}，sinδ_CMG＝diag{sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN}，δ_CMG＝[δ_CMG1,…,δ_CMGN]^T为CMG的框架角测量值；A_CMG为所有CMG的框架角为90度时，CMG角动量单位矢量方向在卫星本体的矩阵；B_CMG为所有CMG的框架角为0度时，CMG角动量单位矢量方向在卫星本体的矩阵；N表示CMG个数；diag{sinδ_CMG1 …sinδ_CMGN}表示以sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN为对角线元素的对角阵；diag{cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN}表示以cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN为对角线元素的对角阵。

故障诊断残差R_e：

R_e＝Vy；

其中，y∈R^N为CMG的框架角速度测量值；

CMG是否发生故障的判断条件为：当R_e满足R_e>R_th时，则认为CMG发生故障；R_th为设定的阈值。

对于V中的每个列向量V_i：

其中，dot()表示点乘运算，norm()表示求模运算。

第三模块中，通过分组判断，进行多故障情况下的故障定位与验证的具体方法为：

从CMG群中删除任意n个CMG，根据CMG框架角速度测量值，构建故障诊断残差，判断CMG是否发生故障，若无故障发生，则删除的n个CMG即为发生故障CMG，否则，n＝n+1，重复进行分组判断；当N-n<4时，仍然没有找到故障CMG，则方法结束；

n＝2,3,...,N-4。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于零空间的CMG群故障诊断方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一、根据CMG框架角测量值，构建故障诊断零空间；

步骤二、根据CMG框架角速度测量值，构建故障诊断残差，判断CMG是否发生故障；

步骤三、判断残差与零空间中各向量的夹角余弦A_Cos,i，进行单故障情况下的故障定位；当A_Cos,i满足A_Cos,i>A_Cos,th时，则认为第i个CMG发生故障，否则执行步骤四；i＝1,2,…,N，A_Cos,th为设定的阈值；

步骤四、通过分组判断，进行多故障情况下的故障定位与验证；

步骤一中，根据下式计算故障诊断零空间V：

V＝I_N×N-Jacob^T(Jacob·Jacob^T)^-1Jacob，

其中，Jacob＝A_CMGcosδ_CMG-B_CMGsinδ_CMG，cosδ_CMG＝diag{cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN}，sinδ_CMG＝diag{sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN}，δ_CMG＝[δ_CMG1,…,δ_CMGN]^T为CMG的框架角测量值；A_CMG为所有CMG的框架角为90度时，CMG角动量单位矢量方向在卫星本体的矩阵；B_CMG为所有CMG的框架角为0度时，CMG角动量单位矢量方向在卫星本体的矩阵；N表示CMG个数；diag{sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN}表示以sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN为对角线元素的对角阵；diag{cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN}表示以cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN为对角线元素的对角阵；

步骤二中，根据下式计算故障诊断残差R_e：

R_e＝Vy；

其中，y∈R^N为CMG的框架角速度测量值；

CMG是否发生故障的判断条件为：当R_e满足R_e>R_th时，则认为CMG发生故障；R_th为设定的阈值；

步骤三中，当步骤二判断有故障发生后，对于V中的每个列向量V_i，逐个执行下列操作：

其中，dot()表示点乘运算，norm()表示求模运算；

步骤四的具体方法为：

从CMG群中删除任意n个CMG，n＝2,3,...,N-4，重复步骤二，若无故障发生，则删除的n个CMG即为发生故障CMG，否则，n＝n+1，重复执行步骤四；当N-n<4时，仍然没有找到故障CMG，则方法结束。

2.一种基于零空间的CMG群故障诊断系统，其特征在于，包括：

第一模块、用于根据CMG框架角测量值，构建故障诊断零空间；

第二模块、用于根据CMG框架角速度测量值，构建故障诊断残差，判断CMG是否发生故障；

第三模块、用于判断残差与零空间中各向量的夹角余弦A_Cos,i，进行单故障情况下的故障定位；当A_Cos,i满足A_Cos,i>A_Cos,th时，则认为第i个CMG发生故障，否则，通过分组判断，进行多故障情况下的故障定位与验证；

i＝1,2,…,N，A_Cos,th为设定的阈值；

故障诊断零空间V：

V＝I_N×N-Jacob^T(Jacob·Jacob^T)^-1Jacob，

其中，Jacob＝A_CMGcosδ_CMG-B_CMGsinδ_CMG，cosδ_CMG＝diag{cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN}，sinδ_CMG＝diag{sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN}，δ_CMG＝[δ_CMG1,…,δ_CMGN]^T为CMG的框架角测量值；A_CMG为所有CMG的框架角为90度时，CMG角动量单位矢量方向在卫星本体的矩阵；B_CMG为所有CMG的框架角为0度时，CMG角动量单位矢量方向在卫星本体的矩阵；N表示CMG个数；diag{sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN}表示以sinδ_CMG1 … sinδ_CMGN为对角线元素的对角阵；diag{cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN}表示以cosδ_CMG1 … cosδ_CMGN为对角线元素的对角阵；

故障诊断残差R_e：

R_e＝Vy；

其中，y∈R^N为CMG的框架角速度测量值；

CMG是否发生故障的判断条件为：当R_e满足R_e>R_th时，则认为CMG发生故障；R_th为设定的阈值；

对于V中的每个列向量V_i：

其中，dot()表示点乘运算，norm()表示求模运算；

第三模块中，通过分组判断，进行多故障情况下的故障定位与验证的具体方法为：

从CMG群中删除任意n个CMG，根据CMG框架角速度测量值，构建故障诊断残差，判断CMG是否发生故障，若无故障发生，则删除的n个CMG即为发生故障CMG，否则，n＝n+1，重复进行分组判断；当N-n<4时，仍然没有找到故障CMG，则方法结束；

n＝2,3,...,N-4。